JPH11271351A

JPH11271351A - 圧電検出素子

Info

Publication number: JPH11271351A
Application number: JP7027398A
Authority: JP
Inventors: Toshio Umemura; 敏夫梅村; Akira Yamada; 朗山田; Chisako Maeda; 智佐子前田; Takehiko Sato; 剛彦佐藤; Hidefusa Uchikawa; 英興内川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】小型でかつ温度係数を小さくできしかも高感
度で加速度、磁界等の物理量を検出することができる圧
電検出素子を提供する。【解決手段】中央部に開口部を有する基板と、開口部
を実質的に覆いかつ開口部において印加される物理量に
対応して変形可能となるように開口部の周辺部で基板に
固定された金属膜と、印加される物理量に応答して開口
部において金属膜を変形させるために設けられた作用体
と、開口部の金属膜の変形に対応して変形するように該
金属膜に接して又は離れて設けられた圧電膜とを備え、
印加される物理量に対応する電気信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加速度センサ、磁
界センサ等の圧電膜を用いた圧電検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、自動車、ＦＡ（ファクトリーオー
トメション）機器等において、高機能化及び高性能化を
図るため数多くの様々なセンサが利用されている。特
に、自動車では電子制御システムの進展に伴い、今後益
々、位置および加速度などの検出に多くにセンサが利用
されるものと思われる。

【０００３】このような需要に応えるために、基板に接
合されたゲージ抵抗素子やピエゾ抵抗素子が外力による
基板の歪みを検知して物理量に表す方法が提案されてい
る。また、特開平４−１４８８３３号公報では、固定基
板と外力を伝達する作用体を有する可撓性基板が対向す
る面に電極を配置した構造が提案され、力、加速度、磁
界により作用体に発生した力で可撓性基板を撓ませ、こ
れに伴う電極間の静電容量の変化を検知して物理量を検
出する方法が開示されている。更に、特開平５−２６７
４４号公報では、可撓性基板上に電極で挟まれた板状圧
電素子を固定し、且つ、可撓性基板に定義した原点に作
用体を設けた構造が提案され、力、加速度、磁界により
作用体に発生した力により可撓性基板を撓ませ、これを
圧電素子により検知して物理量を検出する方法が開示さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車載用
のセンサに代表されるように、センサの使用温度範囲
（−５０℃〜＋１８０℃）は広いので、上述の基材に固
定されたゲージ抵抗素子やピエゾ抵抗素子を利用する方
法では、検出素子自体は小型であるが、それらの温度係
数を補償する回路が不可欠となり、センサシステムの簡
略化、小型化が困難であるという問題点があった。ま
た、センサ筐体に固定された可撓性基板を作用体により
撓ませる方法は、比較的温度係数は小さくできるが、大
きな作用を必要とするために弱い外力の作用の検出には
不向きであるという問題点があり、また、可撓性基板に
別体で作成された圧電素子を固定する構造であるために
小型化が困難でありかつ安価に製造できないという問題
点もあった。

【０００５】そこで、本発明は、小型でかつ温度係数を
小さくできしかも高感度で加速度、磁界等の物理量を検
出することができる圧電検出素子を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の圧電
検出素子は、中央部に開口部を有する基板と、上記開口
部を実質的に覆いかつ上記開口部において印加される物
理量に対応して変形可能となるように上記開口部の周辺
部で上記基板に固定された金属膜と、上記印加される物
理量に応答して上記開口部において上記金属膜を変形さ
せるために設けられた作用体と、上記開口部の上記金属
膜の変形に対応して変形するように該金属膜に接して又
は離れて設けられた圧電膜とを備え、上記印加される物
理量に対応する電気信号を出力することを特徴とする。
これによって、本発明の圧電検出素子では、従来例のよ
うに可撓性基板を用いることなく、変形可能に形成され
た上記金属膜を印加される物理量により直接変形させて
いるので、小さな作用で上記金属膜及び圧電膜を変形さ
せることができ、上記圧電膜の変形に対応した電気信号
を出力することができる。

【０００７】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜が、上記開口部の略中央に位置する原点を通る第１
軸上に上記原点に対して略対称に設けられた少なくとも
２つの第１圧電膜を含んで構成されることが好ましく、
これによって、２次元的に変化する方向と大きさを有す
る物理量が印加されたときに、その方向と大きさを検出
することができる。

【０００８】この場合、上記第１圧電膜のうち上記原点
に対して一方の側に設けられた第１圧電膜を上記金属膜
上に直接形成し、かつ他方の側に設けられた第１圧電膜
を、上記金属膜上に絶縁膜を介して形成された電極上に
形成することにより、一方の側に設けられた第１圧電膜
と他方の側に設けられた第１圧電膜との電極を互いに分
離でき、例えば、製造ばらつきによる一方の側と他方の
側にある圧電膜間の特性ばらつき補償して検出すること
ができる。

【０００９】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜がさらに、上記開口部の略中央に位置する原点を通
る第２軸上に上記原点に対して略対称に設けられた少な
くとも２つの第２圧電膜を含んでなりかつ上記第１圧電
膜と上記第２圧電膜とが一直線上にないように構成する
ことにより、３次元的に変化する方向と大きさを有する
物理量が印加されたときに、その方向と大きさを検出す
ることができる。

【００１０】この場合、上記第１圧電膜のうち上記原点
に対して一方の側に設けられた第１圧電膜を上記金属膜
上に直接形成し、かつ他方の側に設けられた第１圧電膜
を、上記金属膜上に絶縁膜を介して形成された電極上に
形成し、上記第２圧電膜のうち上記原点に対して一方の
側に設けられた第２圧電膜を上記金属膜上に直接形成
し、かつ他方の側に設けられた第２圧電膜を、上記金属
膜上に絶縁膜を介して形成された電極上に形成すること
により、例えば、製造ばらつきによる一方の側と他方の
側にある圧電膜間の特性ばらつき補償して検出すること
ができる。

【００１１】また、本発明の圧電検出素子では、上記第
１軸と上記第２軸とが上記原点において直交することが
好ましく、これによって、物理量の方向と大きさとを効
率的にかつ精度良く検出できる。

【００１２】なお、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜を上記金属膜の一方の主面側に設けかつ上記作用体
を上記金属膜の他方の主面側に設けるようにしてもよい
し、上記圧電膜と上記作用体とを上記金属膜の同一面側
に設けるようにしてもよい。

【００１３】また、本発明の圧電検出素子において、上
記圧電膜が上記金属膜を介して対向するように上記金属
膜の一方の主面側と他方の主面側とに設けることによ
り、対向して設けられた２つの圧電膜からの信号を加算
して出力できる。

【００１４】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体を２以上備えていてもよく、これによって、検出感
度を向上させることができる。

【００１５】さらに、本発明の圧電検出素子では、上記
作用体を少なくとも１つの圧電膜上に電極を介して形成
するようにしてもよい。この場合、上記作用体を上記圧
電膜の中心からずらして形成することによって、該圧電
膜の変形を大きくすることができ、検出感度を向上させ
ることができる。また圧電膜上に電極を介して作用体を
形成する場合、製造工程を簡単にするために上記作用体
と上記電極と一体で形成することもできる。

【００１６】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体を互いに質量の異なる２以上の部分から構成しても
よい。これによって、検出する物理量に対応して、作用
体の質量を適切な値に比較的自由に設定できる。

【００１７】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜上に形成された電極と上記圧電膜にそれぞれ対応し
て外部回路との接続用として形成されたパッド電極との
間を接続する場合、上記圧電膜の自由な変形を妨げるこ
とがないようにかつ上記圧電膜に不必要な力がかからな
いように上記圧電膜と上記パッド電極との間がエアーブ
リッジ配線で接続することが好ましい。

【００１８】また、本発明の圧電検出素子では、上記基
板と上記金属膜及び上記作用体と上記金属膜とをそれぞ
れ、強固に固定するために接着層を介して固定すること
が好ましい。

【００１９】また、本発明の圧電検出素子では、上記開
口部における金属膜が自由に変形できるように基板を保
持し素子を保護するための容器を備えることが好まし
い。

【００２０】また、本発明の圧電検出素子では、チタン
酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、酸化
シリコン、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムか
らなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分として含
む圧電材料を用いて上記圧電膜を形成することができ
る。

【００２１】また、本発明の圧電検出素子では、金、白
金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群
から選ばれた少なくとも１種を主成分として含も金属を
用いて上記金属膜を形成することができる。

【００２２】この場合、上記金属膜が、チタン、クロ
ム、タンタル、バナジウム及びニオブからなる群から選
ばれた少なくとも一種を含む層からなる接着層を介して
基板に固定されていることが好ましい。

【００２３】また、本発明の圧電検出素子では、シルコ
ン、ガリウム砒素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウ
ム及び酸化ジルコニウムからなる群から選ばれた少なく
とも一種を主成分として含む基板を用いることにより容
易に形成できる。

【００２４】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体として磁性体を用いることにより、磁気センサとで
きる。この場合、作用体として、ネオジウム鉄ボロン、
サマリウムコバルト、アルニコ、フェライトからなる群
から選ばれた少なくとも一種以上の永久磁石を主成分と
して含む磁性体で形成することができる。

【００２５】また、本発明の圧電検出素子では、上記基
板上に制御回路を一体で形成することができ、これによ
って、制御回路を含め小型化が図れる。

【００２６】さらに、本発明の圧電検出素子において、
上記作用体の少なくとも１部として形成された磁性体
と、上記作用体の回りに設けられたコイルとを備えるこ
とにより、上記磁性体と上記コイルとの間の電磁誘導に
よる信号を用いて検出機能を検証する機能を付加するこ
とができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態について説明する。実施の形態１．実施の形態１の圧電検出素子は、図１に
示すように、開口部１００を備えた基板１上に、該開口
部１００を覆うように金属膜２が形成され、該金属膜２
上に圧電膜３を含む各要素が以下のように形成されて構
成される。尚、実施の形態１において、素子に印加され
る加速度に対応して開口部１００に張られた金属膜２を
変形させるために、円柱形状の作用体６が、その軸が開
口部１００の中心と略一致するように金属膜２の下面に
設けられている。

【００２８】金属膜２上には、作用体６の外周の直上
に、該直上における金属膜２の変形と同期して変形する
ように４つの圧電膜３が形成される。ここで、圧電膜３
はそれぞれ電極４を備え、作用体６の外周上に等間隔に
配置される。また、各圧電膜３の外側の金属膜２上に
は、制御回路との接続用のパッド電極７が絶縁膜７１を
介して設けられ、それぞれ対応する圧電膜３上の電極４
に配線金属５でエアーブリッジ配線されている。尚、パ
ッド電極７は、開口部１００の外側の基板１上に位置す
るように設けられる。

【００２９】次に、実施の形態１の圧電検出素子の概略
の製造方法について説明する。本実施の形態１では、基
板１として、種々の基板を用いることができるが、金属
膜２、圧電膜３の形成の容易さ、開口部の加工等を考慮
して、シルコン、ガリウム砒素、酸化アルミニウム、酸
化マグネシウム及び酸化ジルコニウムの内の一種を用い
ることが好ましい。本実施の形態１の製造方法では、基
板１上に白金からなる金属膜２を、スパッタ法にて０．
２μｍ厚さに成膜する。尚、本発明では、金属膜２とし
て白金以外に、金、パラジウム、ルテニウム及びイリジ
ウム等種々の金属を用いることができる。次に、チタン
酸鉛（膜組成ＰｂＴｉＯ₃）からなる圧電膜３を、ＤＣ
マグネトロンスパッタ法により１μｍの厚さに成膜す
る。尚、本発明では、ジルコン酸チタン酸鉛（膜組成
（Ｐｂ，Ｚｒ）ＴｉＯ₃）、チタン酸バリウム（膜組成
ＢａＴｉＯ₃）、酸化シリコン（膜組成ＳｉＯ₂）、タン
タル酸リチウム（膜組成ＬｉＴａＯ₃）又はニオブ酸リ
チウム（膜組成ＬｉＮｂＯ₃）等の種々の圧電材料を用
いて圧電膜３を形成することができる。また、圧電膜３
として多結晶体のチタン酸鉛（膜組成ＰｂＴｉＯ₃）を
用いる場合は、結晶軸が（１１１）配向するように形成
することが好ましく、これは、（１１１）配向させたＰ
ｔ膜上に形成することにより容易に形成できる。

【００３０】次に、圧電膜３上に、１μｍ厚の金膜を成
膜した後、フォトレジストを用いた湿式エッチングによ
り、図１（ａ）に示す所定の位置に上部電極膜４及び圧
電膜３を形成する。ここで、金膜のエッチング液として
は、ＨＣｌおよびＨＮＯ₃の３：１混合液、チタン酸鉛
からなる圧電膜のエッチング液としてＨＮＯ₃−ＨＦを
用いることができる。さらに、絶縁膜７１を形成する位
置に開口部を有するレジストを形成し、室温にてシリコ
ンを０．１μｍの厚さにスパッタ成膜し、その上に金を
０．１μｍの厚さにスパッタ成膜した後、レジストを溶
剤により除去する。これによって、金属膜２上に絶縁膜
７１を介してパッド電極が形成される。

【００３１】次に、上部電極膜４の上面とパッド電極７
の上面が開口するようにレジストを形成し、上方から金
膜を室温にて０．１μｍの厚さにスパッタ成膜し、該金
膜上に配線金属５を形成すべき位置を開口させたレジス
トを形成し、該開口部を介して金膜上に電解メッキによ
り金を１μｍの厚さにメッキした後、レジストをアセト
ンにより除去する。これによって、電極膜４とパッド電
極７とを接続する配線金属５を形成する。次に、基板１
の所定の位置において、下面から７％ＫＯＨ溶液を用い
てエッチングを行うことにより開口部１００を形成して
金属膜２を露出させる。この際、開口部１００の中央部
に円柱形状にシリコン基板を残すことにより作用体６を
形成する。以上のようにして図１に示す実施の形態１の
圧電検出素子は製造される。

【００３２】次に、以上のように構成された実施の形態
１の圧電検出素子において作用体６に所定の向きに力が
加わったときの動作を、図２及び表を参照して説明す
る。ここで、図２において、符号１２〜１５は、金属膜
２と電極４とによって挟設された圧電膜３からなる圧電
素子を示し、配線金属５及びパッド電極７は省略して描
いている。本実施の形態１の圧電検出素子の動作の確認
は、図２（ｄ）に示すように各圧電素子１２〜１５の電
極４と金属膜２の電極間にそれぞれ、電圧計Ｖ１、Ｖ
２、Ｖ３、Ｖ４およびコンデンサ（１ｐＦ〜１００ｐ
Ｆ）を結線して、この圧電検出素子を加振機に乗せて加
振方向に対する各電圧計の電圧のふれを計測することに
より行った。その結果を表１に示す。ここで、表１にお
いて、Ｆｘ⁺、Ｆｙ⁺、Ｆｚ⁺はそれぞれ、Ｘ、Ｙ、Ｚの
正方向の力を示し、Ｆｘ^-、Ｆｙ^-、Ｆｚ^-はそれぞれ、
Ｘ、Ｙ、Ｚの負方向の力を示す。また、Ｘ及びＹ方向
は、図２（ａ）（ｂ）に示すように金属膜２と同一平面
上において直交する方向であり、Ｚ方向は図２（ｃ）に
示すように作用体６の軸方向である。さらに、Ｘ軸及び
Ｙ軸にはそれぞれ原点を挟んで対称になるように２つの
圧電素子が位置する。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１から明らかなように、本実施の形態１
の圧電検出素子は、各圧電素子において印加される力の
方向に対応した正又は負の電圧を出力することができ
る。また、容量の小さいコンデンサを用い、加振方向の
振幅の時間変化が正弦波で表される場合には、電圧計の
ふれも正弦波的電圧−時間依存性が得られ、さらに印加
される力に応じた大きさの電圧が出力されることも確認
された。また、圧電素子１２〜１５の各圧電膜３が印加
される力の方向と大きさに依存して屈曲し、各電圧計の
ふれを各方向の加速度のベクトルと見なしたとき、３成
分の合力を圧電素子に加わる力（加速度）と関連させる
ことができることが分かった。従って、実施の形態１
の圧電検出素子を用いると、Ｘ、Ｙ、Ｚのうち２以上の
方向成分を有する力が印加された場合において、各圧電
素子１２、１３、１４、１５からは、作用体６が受ける
力の各方向の成分に対応して生じる電圧が重畳して出力
されるので、各圧電素子１２、１３、１４、１５から出
力される信号に基づいて圧電検出素子に印加される力の
方向と大きさが一義的に決定できる。またさらに、われ
われの検討によると、−８０℃〜＋２００℃の温度範囲
において、出力電圧の温度依存性は極めて小さいもので
あった。

【００３５】以上詳細に説明したように、本実施の形態
１の圧電検出素子は、可撓性基板を用いることなく、基
板１の開口部１００上に膜状の金属膜２を設け、印加さ
れる力に対応して直接、開口部１００上に位置する金属
膜２を変形するように構成しているので、可撓性基板を
変形させる場合の力に比べて極めて小さい力で金属膜２
を変形させることができる。従って、本実施の形態１の
圧電検出素子においては、作用体６の質量を大きくする
ことなく金属膜２を変形させることができるので、小型
でかつ従来例と同等の加速度等の検出性能を実現でき
る。また、実施の形態１の圧電検出素子は、上述の製造
方法の説明から明らかなように、いわゆる半導体製造プ
ロセスを用いて製造することができるので、大量生産が
可能で、かつ大量生産することにより極めて安価に製造
することができる。

【００３６】また、本実施の形態１の圧電検出素子で
は、圧電素子の電極４とパッド電極７とをエアブリッジ
配線を用いて接続することにより、開口部１００上に位
置する金属膜２の変形可能部分に、圧電膜３以外のもの
を形成していないので、外力が印加されたときに金属膜
２の変形を妨げることがなく、効果的にかつ精度よく印
加される外力を検出できる。また、このエアーブリッジ
配線をすることにより、このエアーブリッジ配線の緩衝
作用により、例えば、素子が衝撃等による極度に大きな
力（加速度）を受けた場合にも、金属膜２及び圧電膜３
の一部分に集中して大きな力が係ることを防止でき、金
属膜２等の破壊を防止できる。

【００３７】以上の実施の形態１の圧電検出素子では、
図３に示すように、容器３１を設け検出部分を保護する
ようにすることが好ましい。この場合、図３（ａ）に示
すように、基板１を容器３１の側面に固定するようにし
ても良いし、図３（ｂ）に示すように、作用体６を容器
３１の底面に固定するようにしてもよい。図３（ａ）の
構成では、外力によって作用体６が容器に対して相対的
に変位し、図３（ｂ）の構成では、外力によって基板１
が容器に対して相対的に変位する。われわれの検討で
は、いずれにおいても圧電効果を検出することができ
た。このように、容器３１を設けることにより、素子を
大気からの遮断できかつ、機械的接触を容易に回避でき
るので、信頼性を向上させることができる。

【００３８】実施の形態２．実施の形態１では圧電膜
３、上部電極４等を下部電極膜２に対して基板１と異な
る側に配置したが、実施の形態２では、図４に示すよう
に、圧電膜３、電極４等を下部電極膜２に対して基板１
側に配置、すなわち開口部１００内に形成したことを特
徴とする。

【００３９】次に、実施の形態２の圧電検出素子の製造
方法について説明する。本方法では、まず、例えばＳｉ
からなる基板（この基板は、最終的に素子に残る基板１
とは異なるので、以下それと区別するために基板Ａとい
う。尚、この基板Ａは図４には図示されていない。）上
に金属膜２を形成し、その金属膜２上に実施の形態１と
同様にして、圧電膜３、電極４、パッド電極７及び配線
金属５等を形成することにより各圧電素子を形成する。
次に、基板１、作用体６が形成される部分が開孔するよ
うにフォトレジストを形成して、金属膜２上にＳｉを形
成した後、溶剤を用いてフォトレジストを除去すること
により、開口部以外のＳｉが該レジストとともに除去さ
れ、基板１及び作用体６が形成される。そして、７％Ｋ
ＯＨ溶液等により金属膜２の下に接する基板Ａをエッチ
ング除去することにより図４に示す断面形状を有する実
施の形態２の素子が構成される。

【００４０】以上のように構成された実施の形態２の圧
電検出素子は、開口部１００に圧電素子及び作用体６等
が形成されるので、素子において、基板１の厚さ方向に
突出する突出部を無くすることができ、実施の形態１に
比較して素子を薄くできる。尚、本実施の形態２では、
基板１及び作用体６を構成する材料としてＳｉに代えて
例えばハンダ等の金属を用いて形成してもよい。すなわ
ち、基板１、作用体６が形成される部分が開孔するよう
にフォトレジストを形成して、金属膜２上に給電層金膜
を例えば０．１μｍ厚に形成して、該金膜上にハンダメ
ッキを２００μｍ厚だけ形成した後、溶剤によりレジス
トを除去して、ハンダからなる基板１と作用体６とを形
成してもよい。以上のように構成しても実施の形態２と
同様の作用効果を有する。

【００４１】実施の形態３．本発明に係る実施の形態３
の圧電検出素子は、図５に示すように、実施の形態１の
圧電素子１２，１３に代えて、金属膜２上に絶縁膜１７
を介して形成された圧電素子１２ａ，１３ａを設けたこ
とを特徴とする。すなわち、実施の形態３の圧電検出素
子は、（００１）面を有するシリコンからなる基板１上
に、下部電極膜２として結晶軸が（１１１）配向した１
μｍ厚の白金をスパッタ法にて成膜し、メタルマスクを
用いて絶縁膜１７として酸化シリコンをプラズマＣＶＤ
により０．２μｍ成膜し、さらに該絶縁膜１７上に中間
電極膜１６として、白金（１μｍ厚）をＤＣマグネトロ
ンスパッタにて成膜した後、実施の形態１と同様にし
て、圧電膜３、電極膜４及び配線５を形成することによ
り作成される。

【００４２】以上のように構成された実施の形態３の圧
電検出素子は、Ｘ方向に設けられた２つの圧電素子のう
ち、圧電素子１４が金属膜２を一方の電極として金属膜
２上に直接形成され、圧電素子１２ａが金属膜２上に絶
縁膜１７を介して形成されて、互いに共通の電極を有し
ていないので、電気的に独立している。また、Ｙ方向に
設けられた２つの圧電素子のうち、圧電素子１５が金属
膜２を一方の電極として金属膜２上に直接形成され、圧
電素子１３ａが金属膜２上に絶縁膜１７を介して形成さ
れて、互いに共通の電極を有していないので、電気的に
独立している。このように、圧電素子の下部に設けられ
た電極を分離することにより、分離されて形成された圧
電素子間においてはすべての電極が、独立して形成され
ているので、各圧電素子から出力される信号の処理回路
の構成の自由度が増す。これによって、独立した（互い
に電気的に分離された電極で構成された）圧電素子間で
は、例えば圧電膜の製造のバラツキによって圧電素子か
らの信号がばらついた場合、そのバラツキを吸収するよ
うに回路を構成することが容易になりかつ簡単なバラツ
キ補正手段で補正できる。

【００４３】実施の形態４．次に本発明に係る実施の形
態４の圧電検出素子について説明する。実施の形態４の
圧電検出素子は、実施の形態１の圧電検出素子におい
て、図６に示すように、基板１及び作用体６と金属膜２
との間に密着力を向上させるための密着層２１を形成
し、圧電膜３と電極４との間及び絶縁膜７１とパッド電
極７との間に密着力を向上させるための密着層２２が形
成されていることを特徴とする。ここで、本実施の形態
４において、密着層２１，２２として、チタン、クロ
ム、タンタル、バナジウム、ニオブの内一種を例えば５
０ｎｍの厚さに形成する。以上のように構成された実施
の形態４の圧電検出素子は、基板１及び作用体と金属膜
２との間、並びに圧電膜３と電極４との間及び絶縁膜７
１とパッド電極７との間の密着力を向上させることがで
きるので、製造工程上で該部分が剥離するのを防止で
き、製造歩留まりを向上させることができるとともに、
信頼性を向上させることができる。尚、この場合、密着
層の元素が電極膜内を拡散して圧電膜を劣化させる場合
があるが、これを抑制するためには、白金を成膜した後
焼鈍し、更に、白金を成膜して電極膜とすることが有効
である。

【００４４】実施の形態５．本発明に係る実施の形態５
の圧電検出素子は、図７に示すように、作用体６に代え
て各電極４と一体で形成された作用体２０を備えたこと
を特徴とし、以下のように製造される。実施の形態５の
圧電検出素子は、実施の形態１と同様な工程で電極４ま
で形成した後、作用体２０を形成する部分を残してレジ
ストで覆い、その上から金メッキをしてレジストを除去
することにより、電極４上に一体で金からなる作用体２
０を形成する。他の工程については、開口部１００をエ
ッチングにより形成する工程で作用体６を形成しないよ
うにする以外は、実施の形態１と同様である。以上のよ
うに構成しても実施の形態１と同様に動作し同様の効果
を有するとともに、実施の形態１に比較して検出感度を
高くできる。

【００４５】本実施の形態５では、作用体２０を電極４
と同じ金を用いて構成したが、本発明はこれに限らず、
異種金属を用いて構成してもよい。この場合、電極４に
比較して密度の大きい金属を用いることが好ましい。ま
た、本実施の形態５では、作用体２０に加えさらに実施
の形態１と同様の作用体６を設けるようにしてもよい。
この場合、作用体６は金属膜２の上面に設けてもよい
し、下面に設けてもよい。

【００４６】実施の形態６．本発明に係る実施の形態６
の圧電検出素子は、実施の形態１の圧電検出素子におい
て、圧電素子１２，１３，１４，１５に金属膜２を介し
て対向するように、圧電素子１１２，１１３，１１４，
１１５を設けたことを特徴とする。尚、実施の形態６で
は、圧電素子１１２，１１３，１１４，１１５にそれぞ
れ対応してパッド電極１０７を開口部内に設けている。
以上のように構成された実施の形態６の圧電検出素子
は、金属膜２を介して対向して２つの圧電素子を形成
し、その２つの圧電素子から出力される信号の合計した
信号を検出信号として処理できるので、検出感度を向上
させることができる。

【００４７】実施の形態７．本発明に係る実施の形態７
の圧電検出素子は、図９に示すように作用体６に副作用
体３２を設けたことを特徴とする。本実施の形態７は、
圧電素子１２〜１５等を実施の形態１と同様に形成した
後、以下のようにして作用体６及び副作用体３２を形成
する。まず、基板１の上部電極膜２が形成されていない
側に給電層となる金膜を室温にて０．１μｍ成膜し、該
金膜上に作用体Ｃの形状に開口するようにレジストを形
成する。次に、電解メッキにより金を２０μｍメッキし
た後、レジストとレジストの下に位置する給電層をアセ
トンにより除去することにより、略２０μｍの金からな
る作用体３２を形成する。次に、作用体３２を形成した
面にから実施の形態１と同様に７％のＫＯＨ溶液にてシ
リコンエッチングを行うことにより図９に示す作用体３
２を備えた作用体６を形成する。尚、配線５、パット電
極７の形成は実施の形態１と同様の方法で形成する。本
実施の形態において、副作用体として高密度な金属を作
用体６に付加することにより同一の加速度においても大
きな作用を圧電膜３に印加させることが可能となり感度
を向上させることができる。

【００４８】実施の形態８．本発明に係る実施の形態８
の圧電検出素子は、磁気センサであって、実施の形態７
において、図１０に示すように副作用体３２に代えて、
磁性体３３を形成したことを特徴とする。本実施の形態
７は、圧電素子１２〜１５等を実施の形態１と同様に形
成した後、以下のようにして作用体６及び磁性体３３を
形成する。まず、基板１の金属膜２が形成されていない
側に、磁性体３３となるネオジ鉄ボロン（元素組成比、
Ｎｄ：Ｆｅ：Ｂ＝０．１５：１．０：０．１５）をＤＣ
マグネトロンスパッタにより２０μｍ成膜する。次に、
レジストを用いて、作用体３２を形成した面にから実施
の形態１と同様に７％のＫＯＨ溶液にてシリコンエッチ
ングを行うことにより図１０に示すように開口部１００
と作用体３３を備えた作用体６を形成する。尚、他の工
程は実施の形態７と同様である。

【００４９】以上のように構成することにより、磁界下
において、磁性体３３に働く電磁力により金属膜２を変
形させることができ、圧電膜の屈曲による圧電効果を検
出することにより磁界の強さと方向を検出することがで
きる。尚、本実施の形態８において、磁性体としては
鉄、コバルト、ニッケルを主元素とした軟磁性体、或い
は、ネオジ鉄ボロン以外のサマリウムコバルト、アルニ
コ、フェライト等を用いることができ、この場合も同様
に、磁界変動に伴う変形を圧電膜により検出することが
できる。

【００５０】実施の形態９．本発明に係る実施の形態９
の圧電検出素子は、圧電素子１２，１３，１４，１５等
からなる検出部分に加え、図１１に示すように信号制御
回路及び駆動回路部からなる制御回路３４を基板１内に
一体的に形成したことを特徴とする。尚、この制御回路
３４は例えば、ＣＭＯＳプロセスとバルクマイクロマシ
ニングプロセスを用いて形成することができる。このよ
うに構成することにより、制御回路を含む圧電検出素子
を小型軽量に構成できる。尚、実施の形態９では、制御
回路を圧電素子部に隣接する構成としたが、制御回路を
作用体内に形成するようにしてもよい。

【００５１】実施の形態１０．本発明に係る実施の形態
１０の圧電検出素子は、図１２に示すように、実施の形
態９の圧電検出素子において、磁性体３３の周りにコイ
ル３５を設けた、自己機能検証機構付き磁気センサであ
る。すなわち、本実施の形態１０の圧電検出素子は、コ
イル３５に交流磁界を印加して圧電効果を検出すること
により自己で機能検証することができる。しかしなが
ら、本発明では、コイル３５を設けることなく機能を検
証するようにしてもよい。例えば、加速度センサとして
使用する際は、予め圧電膜３の両面に交流電圧を印加し
て圧電効果を検出することにより、機能検証でき、磁界
センサとして使用する際には、予め圧電膜３の両面に交
流電圧を印加して圧電効果を検出することによっても、
簡易的に機能検証するようにしてもよい。

【００５２】変形例．以上の実施の形態ではそれぞれ、
エアーブリッジ配線により、電極４とパッド電極とを接
続するようにしたが、本発明はこれに限られるものでは
ない。その一例を挙げると、例えば、以下のような簡便
な方法を用いてもよい。すなわち、金属膜２を形成した
後、金属膜２の全面に圧電膜を形成して、さらに、上部
電極膜４、配線５、パット７となる１μｍ厚の金膜を室
温でスパッタ成膜する。次に、図１３に示すように電極
４、配線５０１、および、パット７０１が連結した形状
に金膜およびＰＴＯ膜をフォトレジストを用いた湿式エ
ッチングにより成形する。この時、金膜をエッチングす
るためのエッチ液及び、ＰＴＯをエッチングするための
エッチ液は、実施の形態１と同様のものを用いることが
できる。このように、金属膜２上に電極４、配線５０
１、および、パット７０１を一体で、かついずれも圧電
膜を介して形成することにより、配線及びパッド電極を
形成する工程を極めて簡略化できる。

【００５３】以上の各実施の形態では、金属膜２上に圧
電素子をＸ軸、Ｙ軸の各方向に２個配置した構成となっ
ているが、本発明はこれに限らず、各軸上に２つ以上設
けるようにしてもよい。この場合、圧電素子の個数は偶
数であることが好ましく、かつ作用体が概ね原点に対し
て対称であることがさらに好ましい。以上のように構成
しても実施の形態１と同様の検出特性を高い感度で得る
ことができる。尚、本発明では、例えば、限られた一定
の方向の加速度等の物理量の大きさのみを検出する場合
は、金属膜２上に少なくとも１つの圧電素子を形成すれ
ばよい。また、方向が２次元に限られる場合は、Ｘ軸又
はＹ軸のいずれか１つの方向に少なくとも２つの圧電素
子を形成すれば、加速度等の物理量を限られた一平面内
における方向と大きさを検出することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る圧電検出素子は、上記基板の上記開口部に設けられた
金属膜に、作用体と圧電膜とを備え、従来例のように可
撓性基板を用いることなく、上記金属膜を直接変形させ
ているので、小さな作用で上記金属膜及び圧電膜を変形
させることができ、極めて小型軽量にできる。また、本
発明に係る圧電検出素子は、ＩＣ等と同様な製造プロセ
スを利用して製造可能なため、量産に適している。

【００５５】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜が、第１軸上に上記原点に対して略対称に設けられ
た少なくとも２つの第１圧電膜を含むことにより、少な
くとも２次元的に変化する方向と大きさを有する物理量
の方向と大きさを検出することができる。

【００５６】さらに、上記圧電検出素子では、上記第１
圧電膜のうち上記原点に対して一方の側に設けられた第
１圧電膜を上記金属膜上に直接形成し、かつ他方の側に
設けられた第１圧電膜を、上記金属膜上に絶縁膜を介し
て形成された電極上に形成することにより、一方の側に
設けられた第１圧電膜と他方の側に設けられた第１圧電
膜との電極を互いに分離でき、例えば、製造ばらつきに
よる一方の側と他方の側にある圧電膜間の特性ばらつき
補償して検出することができるので、検出精度を向上さ
せることができる。

【００５７】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜がさらに、上記開口部の略中央に位置する原点を通
る第２軸上に上記原点に対して略対称に設けられた少な
くとも２つの第２圧電膜を含むことにより、３次元的に
変化する方向と大きさを有する物理量が印加されたとき
に、その方向と大きさを検出することができる。

【００５８】上記圧電検出素子では、上記第１圧電膜の
うち一方の側の第１圧電膜を上記金属膜上に直接形成
し、かつ他方の側の第１圧電膜を、上記金属膜上に絶縁
膜を介して形成された電極上に形成し、さらに上記第２
圧電膜についても同様に形成することにより、一方の側
と他方の側にある圧電膜間の特性ばらつき補償して検出
することができるので、極めて精度のよい検出が可能に
なる。

【００５９】また、本発明の圧電検出素子では、上記第
１軸と上記第２軸とが上記原点において直交させること
により、物理量の方向と大きさとを効率的にかつ精度良
く検出できる。

【００６０】さらに、本発明の圧電検出素子では、上記
圧電膜を上記金属膜の一方の主面側に設けかつ上記作用
体を上記金属膜の他方の主面側に設けるようにすること
により、素子の製造を容易にできる。

【００６１】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜と上記作用体とを上記金属膜の同一面側に設けるこ
とにより、素子を薄くできる。

【００６２】また、本発明の圧電検出素子において、上
記圧電膜が上記金属膜を介して対向するように上記金属
膜の一方の主面側と他方の主面側とに設けることによ
り、対向して設けられた２つの圧電膜からの信号を加算
して出力できるので、検出感度を向上させることができ
る。

【００６３】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体を２以上備えることにより、検出感度を向上させる
ことができる。

【００６４】さらに、本発明の圧電検出素子では、上記
作用体を少なくとも１つの圧電膜上に電極を介して形成
することにより、その作用体が占める面積だけ小型にで
きる。

【００６５】上記圧電検出素子では、上記作用体を上記
圧電膜の中心からずらして形成することによって、該圧
電膜の変形を大きくすることができ、検出感度を向上さ
せることができる。

【００６６】また圧電膜上に電極を介して作用体を形成
する場合、製造工程を簡単にするために上記作用体と上
記電極と一体で形成することにより、製造工程の簡略化
がはかれる。

【００６７】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体を互いに質量の異なる２以上の部分から構成するこ
とにより、検出する物理量に対応して、作用体の質量を
適切な値に比較的自由に設定でき、設計の自由度が向上
する。

【００６８】また、本発明の圧電検出素子では、上記圧
電膜上に形成された電極とパッド電極との間の接続をエ
アーブリッジ配線することにより、上記圧電膜の自由な
変形を確保できかつ上記圧電膜に不必要な力がかかるの
を防止できるので、検出感度を高くできしかも信頼性を
高くできる。

【００６９】また、本発明の圧電検出素子では、上記基
板と上記金属膜及び上記作用体と上記金属膜とをそれぞ
れ、接着層を介して固定することにより、信頼性を高く
できる。

【００７０】また、本発明の圧電検出素子ではさらに、
検出部分を覆う容器を備えることにより信頼性を高くで
きる。

【００７１】また、本発明の圧電検出素子では、チタン
酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、酸化
シリコン、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムか
らなる群から選ばれた少なくとも１種を主成分として含
む圧電材料を用いて上記圧電膜を形成することにより、
感度のよい検出素子を実現できる。

【００７２】また、本発明の圧電検出素子では、金、白
金、パラジウム、ルテニウム及びイリジウムからなる群
から選ばれた少なくとも１種を主成分として含も金属を
用いて上記金属膜を形成することにより、比較的結晶軸
がそろった圧電膜を形成でき、その圧電特性を有効に利
用できる。

【００７３】この場合、上記金属膜が、チタン、クロ
ム、タンタル、バナジウム及びニオブからなる群から選
ばれた少なくとも一種を含む層からなる接着層を介して
基板に固定されることにより、信頼性を高くできる。

【００７４】また、本発明の圧電検出素子では、シルコ
ン、ガリウム砒素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウ
ム及び酸化ジルコニウムからなる群から選ばれた少なく
とも一種を主成分として含む基板を用いることにより、
容易に製造できかつ素子の信頼性を高くできる。

【００７５】また、本発明の圧電検出素子では、上記作
用体として磁性体を用いることにより、磁気センサを構
成できる。

【００７６】さらに、上記圧電検出素子において、作用
体として、ネオジウム鉄ボロン、サマリウムコバルト、
アルニコ、フェライトからなる群から選ばれた少なくと
も一種以上の永久磁石を主成分として含む磁性体を用い
て形成することにより、感度のよい磁気センサを作成で
きる。

【００７７】また、本発明の圧電検出素子では、上記基
板上に制御回路を一体で形成することにより、制御回路
を備えた極めて小型の圧電検出素子が作成できる。

【００７８】さらに、本発明の圧電検出素子において、
上記作用体の少なくとも１部として形成された磁性体
と、上記作用体の回りに設けられたコイルとを備えるこ
とにより、上記磁性体と上記コイルとの間の電磁誘導に
よる信号を用いて検出機能を検証する機能を付加するこ
とができ、高い信頼性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態１の圧電検出素子の
構成を示す、（ａ）は素子の上方から見た平面図、
（ｂ）は素子の下方から見た平面図（ｃ）は（ａ）のＡ
−Ａ’線における断面図である。

【図２】実施の形態１において動作を説明するため
の、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ）は断面図であり、
（ｄ）は素子からの信号を検出するための模式的な測定
回路図である。

【図３】（ａ）（ｂ）はそれぞれ、実施の形態１にお
いて、容器内に素子を固定する場合の固定方法を模式的
に示す断面図である。

【図４】本発明に係る実施の形態２の構成を示す模式
的な断面図である。

【図５】（ａ）は本発明に係る実施の形態３の構成を
示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線にお
ける模式的な断面図である。

【図６】本発明に係る実施の形態４の構成を示す模式
的な断面図である。

【図７】本発明に係る実施の形態５の構成を示す模式
的な断面図である。

【図８】本発明に係る実施の形態６の構成を示す模式
的な断面図である。

【図９】本発明に係る実施の形態７の構成を示す模式
的な断面図である。

【図１０】本発明に係る実施の形態８の構成を示す模
式的な断面図である。

【図１１】本発明に係る実施の形態９の構成を示す模
式的な断面図である。

【図１２】本発明に係る実施の形態１０の構成を示す
模式的な断面図である。

【図１３】本発明に係る変形例の部分的な構成を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１基板、２金属膜、３．３０１，３０２圧電膜、
４電極、５，５０１配線金属、６，２０作用体、
７，７０１パッド電極、１２，１３，１４，１５，１
２ａ，１３ａ，１０７，１１３圧電素子、１６中間
電極膜、１７絶縁膜、２１，２２密着層、３１容
器、３２副作用体、３３磁性体、３４制御回路、３
５コイル、７１絶縁膜、１００開口部、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤剛彦東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者内川英興東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部に開口部を有する基板と、上記開口部を実質的に覆いかつ上記開口部において印加
される物理量に対応して変形可能となるように上記開口
部の周辺部で上記基板に固定された金属膜と、上記印加される物理量に応答して上記開口部において上
記金属膜を変形させるために設けられた作用体と、上記開口部の上記金属膜の変形に対応して変形するよう
に該金属膜に接して又は離れて設けられた圧電膜とを備
え、上記印加される物理量に対応する電気信号を出力するこ
とを特徴とする圧電検出素子。
【請求項２】上記圧電膜が、上記開口部の略中央に位
置する原点を通る第１軸上に上記原点に対して略対称に
設けられた少なくとも２つの第１圧電膜を含んでなるこ
とを特徴とする請求項１記載の圧電検出素子。
【請求項３】上記第１圧電膜のうち上記原点に対して
一方の側に設けられた第１圧電膜を上記金属膜上に直接
形成し、かつ他方の側に設けられた第１圧電膜を、上記
金属膜上に絶縁膜を介して形成された電極上に形成した
請求項２記載の圧電検出素子。
【請求項４】上記圧電膜がさらに、上記開口部の略中
央に位置する原点を通る第２軸上に上記原点に対して略
対称に設けられた少なくとも２つの第２圧電膜を含んで
なりかつ上記第１圧電膜と上記第２圧電膜とが一直線上
にないことを特徴とする請求項２記載の圧電検出素子。
【請求項５】上記第１圧電膜のうち上記原点に対して
一方の側に設けられた第１圧電膜を上記金属膜上に直接
形成し、かつ他方の側に設けられた第１圧電膜を、上記
金属膜上に絶縁膜を介して形成された電極上に形成し、上記第２圧電膜のうち上記原点に対して一方の側に設け
られた第２圧電膜を上記金属膜上に直接形成し、かつ他
方の側に設けられた第２圧電膜を、上記金属膜上に絶縁
膜を介して形成された電極上に形成した請求項４記載の
圧電検出素子。
【請求項６】上記第１軸と上記第２軸とが上記原点に
おいて直交する請求項４又は５記載の圧電検出素子。
【請求項７】上記圧電膜が上記金属膜の一方の主面側
に設けられかつ上記作用体が上記金属膜の他方の主面側
に設けられている請求項１〜６のうちのいずれか１つに
記載の圧電検出素子。
【請求項８】上記圧電膜と上記作用体とが上記金属膜
の同一面側に設けられている請求項１〜６のうちのいず
れか１つに記載の圧電検出素子。
【請求項９】上記圧電膜が上記金属膜を介して対向す
るように上記金属膜の一方の主面側と他方の主面側とに
設けられている請求項１〜６のうちのいずれか１つに記
載の圧電検出素子。
【請求項１０】上記作用体を２以上備えた請求項１〜
９のうちのいずれか１つに記載の圧電検出素子。
【請求項１１】上記作用体が少なくとも１つの圧電膜
上に電極を介して形成されている請求項１〜１０のうち
のいずれか１つに記載の圧電検出素子。
【請求項１２】上記作用体が上記圧電膜の中心からず
らして形成されている請求項１１記載の圧電検出素子。
【請求項１３】上記作用体が上記圧電膜上に形成され
た電極と一体で形成されている請求項１１記載の圧電検
出素子。
【請求項１４】上記作用体が、互いに質量のことなる
２以上の部分からなる請求項１〜１２のうちのいずれか
１つに記載の圧電検出素子。
【請求項１５】上記圧電膜上にそれぞれ電極が形成さ
れかつ上記圧電膜にそれぞれ対応して外部回路との接続
用のパッド電極が形成された圧電検出素子であって、上記圧電膜と上記パッド電極との間がエアーブリッジ配
線されている請求項１〜１４のうちのいずれか１つに記
載の圧電検出素子。
【請求項１６】上記基板と上記金属膜及び上記作用体
と上記金属膜とをそれぞれ、接着層を介して固定されて
いる請求項１〜１５のうちのいずれか１つに記載の圧電
検出素子。
【請求項１７】上記開口部における金属膜が自由に変
形できるように基板を保持し素子を保護するための容器
を備えた請求項１〜１６のうちのいずれか１つに記載の
圧電検出素子。
【請求項１８】上記圧電膜が、チタン酸鉛、ジルコン
酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、酸化シリコン、タン
タル酸リチウム及びニオブ酸リチウムからなる群から選
ばれた少なくとも１種を主成分として含む請求項１〜１
７のうちのいずれか１つに記載の圧電検出素子。
【請求項１９】上記金属膜が、金、白金、パラジウ
ム、ルテニウム及びイリジウムからなる群から選ばれた
少なくとも１種を主成分として含んで形成されている請
求項１８記載の圧電検出素子。
【請求項２０】上記金属膜が、チタン、クロム、タン
タル、バナジウム及びニオブからなる群から選ばれた少
なくとも一種を含む層からなる接着層を介して基板に固
定されている請求項１９記載の圧電検出素子。
【請求項２１】上記基板が、シルコン、ガリウム砒
素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム及び酸化ジル
コニウムからなる群から選ばれた少なくとも一種を主成
分として含む請求項１８〜２０のうちのいずれか１つに
記載の圧電検出素子。
【請求項２２】上記作用体が磁性体からなる請求項１
〜２１のうちのいずれか１つに記載の圧電検出素子。
【請求項２３】上記作用体が、ネオジウム鉄ボロン、
サマリウムコバルト、アルニコ、フェライトからなる群
から選ばれた少なくとも一種以上の永久磁石を主成分と
して含む請求項２２記載の圧電検出素子。
【請求項２４】上記基板上に制御回路が一体で形成さ
れている請求項１〜２３のうちのいずれか１つに記載の
圧電検出素子。
【請求項２５】上記作用体の少なくとも１部として形
成された磁性体と、上記作用体の回りに設けられたコイ
ルとを備え、上記磁性体と上記コイルとの間の電磁誘導による信号を
用いて検出機能を検証する請求項１〜２４のうちのいず
れか１つに記載された圧電検出素子。