JPS58182285A - 圧電気圧力センサ - Google Patents

圧電気圧力センサ

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JPS58182285A
JPS58182285A JP58053468A JP5346883A JPS58182285A JP S58182285 A JPS58182285 A JP S58182285A JP 58053468 A JP58053468 A JP 58053468A JP 5346883 A JP5346883 A JP 5346883A JP S58182285 A JPS58182285 A JP S58182285A
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    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/008Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices
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    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は圧電気ならびにノ9イロ電気の出力信号を共に
有する材料からなる圧電圧力センナである。 このセンサは更にセンサの圧電気出力信号
【増大すると
共に・!イロ電気出力信号tはぼなくしてしまう幾何学
形状を有する電極接続からなる。 ここで例示するセンサはシリコンダイヤフラム構造の上
に設けられた酸化亜鉛(ZnO)からなるものであるが
、かかる構造に限定されない、シリコンダイヤフラムは
種々の圧力センナ素子、例えば、容量型圧力センサや圧
電抵抗製圧力センナ(1980年5月号、27巻A5I
E)JのaS、サンメー氏らの記事参照)などで用いら
れてきている。検出素子の一部としてシリコン管用いる
のは、それがシリコンダイヤフラムとすることができ、
かつ、同一のシリコンのサブストレートに素子の電気的
部分音一体に形成できるからで、特に魅力的なものであ
る。かかる構造にすると素子の精度と安定性が増・し、
そのコストが低下する。更に、エツチング技術により、
薄いダイヤフラムを作ることができるのでかかる素子の
圧力感度が増す。 酸化亜鉛ZnOは圧電材で、シリコン半導体などの種々
のナシストレートにスノダツタすることができ、また、
圧力センナのような能動素子として用いることができる
。 かかるセンナのシリコンサブストレートが撓むと歪ノ臂
ターンが酸化亜鉛ZnO層に現われ、ZnO格子の纂3
の軸線に平行した圧電分IIが生ず今。そして、この第
3の軸線はZnO層の表面と直角をなす、電圧出力はZ
nO層の上面と底面に形成された2つの電極によシ構成
されたキャノ豐シタに集められる。しかしながら、この
ようなキャノ苛シタ構成は、一般に、上面の電極管シリ
コンサブストレート上の電極に接続せねばならないとい
う不具合を呈すゐ。かくして、ステップカバーレージの
問題が伴う、¥iK厚さが10オクロンのオーダーであ
る厚い2110層の場合に問題である。 能動素子としてzIIOt用いるのに伴う他の問題はZ
noのノ母イロ電気特性から起るもので温度の変動によ
り電圧出力が生ずる。 このセンナは上述した2つの問題を解決すると共にセン
サからの圧電気出力を増大させる電極構成を持つ。かく
して、このセンナの電極構成は従来技術の圧電圧力セン
サに対し、技術的に優れ死点が3つある。第1は、この
センナの電極構成により上面の容量性電極管半導体サブ
ストレート上の電極と接続する必要がないので、ステッ
プカバーレージの問題がない。第2は、このセンナの電
極構成により、温度変動による・母イロ電気電圧出力が
ほとんどない、第3は、このセンナの電極構成によりセ
ンサの圧電検出材によ〕発生する圧電気出力信号が増大
することである。 以下、図面上用いて本発明會詳細Ki[する。 第1図、82図および第3はこのセンナの構造と電極構
成の例を示し、第4図、第5図および纂6図はこのセン
サの動作に関するものである。 本願センナの好個な実施例はシリコン半導体−デー10
からなり、このポデーにはある直径14を有するダイヤ
フラム12が工、チングによ〕形成される。ダイヤフラ
ム12は表面16から標準的な等方性電気化学的エツチ
ングによりポデー10にエツチングされる。半導体、す
なわちサブストレート10は通常250ミクロンオーダ
ーの厚さである。 このセンナは、更に、二酸化ケイ素のような絶縁層18
i有し、この絶縁層18はサブストレー゛ ト10の表
面2o上に形成される。図示の好個な実施例については
、この絶縁層は厚さが1はクロンのオーダーである。 外側の環状電極22と中心の電極24からなる一対の電
極は絶縁層180表面46に形成される。 図示の例では電極22および24は同心でほぼ等しい表
面積からなる0本発明の他の実施例では、電極22およ
び24は丸い、すな。ゎち同心である必要はない0例え
ば、方形のものでもよい。電極22および24t!導線
26および28【有し、それぞれ、支持電子回路3oに
つながっていて、こnらは一般にサブストレー)10に
一体に作られる。 この七ンtは、更に、電極22および24ならびに絶縁
層1st8にって形成される二酸化ケイ素のような絶縁
層321に有する。 圧電材からなる層34は通常絶縁層32上に形成される
。このセ/すの好個な冥施伺においては、層34はZn
Oからなる。 層34は通常絶縁層36で覆われ、この絶縁層36の上
面には電極38が形成される。図示の例においては、電
極38は円形で、ダイヤフラム12ならびに外側の環状
電極22の外径とほぼ同一〇直径を有する。電極22お
よび24に関して述べたように電極38Fi円形である
必要はない。 二酸化シリコンのような絶縁材からなる層40は、通常
電極38と絶縁層36上に形成される。 絶縁層32および36ii、圧電層34t−電極22.
24および38から絶縁し、また、絶縁層18および4
0と共に前記電極と導@26および28t−密封する。 絶縁層32および36は実効的に電荷が圧電層34ヘリ
ークするの七減らし、それゆえ、実効的に層34の圧電
電荷の消滅會遅らせる。 例示し九本願センナは、通常適正な結晶方位を持つシリ
コンサブストレート10i選択することKより作られる
。一体化した支持電子回路30(乗積回路)がサブスト
レート10に作らnる。 サブストレート】0は次に二酸化シリコン層18で憶わ
れる。前述し良ようにこの層18は、通常、厚さが1ミ
クロンオーダーである。通常厚さ0.5ミクロンオーダ
ーのアルミニューム層がその後に層18上に付着形成さ
れ、そしてこのアルミニ−ム層は電極22および24を
形成すべく選択的にエツチングさ扛る。二酸化シリコン
層32が、次に電極22および24ならびに層18上に
ス/IP、りされる、電1i22および24上での層3
2の厚さは一般に0.2ミクロンオーダーである。Zn
0層34が次に層32上にスノ譬訊夕にょシ付着形成さ
れる。この場34Fi、通常、厚さが約3〜10ミクロ
ンの範囲にある。絶縁層36が、その後に層34上にス
ノ量ツタにより付着形成さ、れ、この層36は通常0.
2ミクロンの厚さである。通常、厚さが0.5ミクロン
であるアルミニューム層が、次に層36上にスノ母、夕
により付着形成される。アルミニューム層38は、次に
、電極381i規定すべく選択的に工、チングされる。 二酸化シリコン層40が、次に、電極38および絶縁層
36上にスパッタにより付着形成され、この層4oは、
通常、電極38上で0.2ミクロンの厚さ
【有する。 層40.36および34は、次にある大きさにすべく選
択的に工、チングされ゛、Zn0層34の端部は二酸化
シリコンでスノ々、夕により被I[すtLる。 ダイヤフラム12は、次に、半導体がデー]0の表面1
6から等方性の電気化学的エツチング技術により選択的
に剛シ取らnる。 本願センサは2つのZnO圧電気キャノ々シタC!およ
びC:からなり、これらは第4図および第6図に略図的
に示される。キヤ/ヤシタc1およUCmの一方は中心
の電極24と電極38にょ〕形成され、他方は外側の環
状電極22と電極38にょシ形成される。これら2つの
キャノ譬シタは、電極38を介して直列接続される。シ
リコンサノストレート10の内部に集積され良電子回路
3oへの接続は、それぞれ導線26および28を介して
一対の電極22および24でのみなされる。前述したよ
うに、これにより上部の電極38との接続が不要なので
このセンナの大きな利点が得られる。かくして、上部の
電極38へっなぐ導at作ろうとするに当ってのステッ
グヵパーレージの問題が避ケられる。 Zn0ti圧電材であるばかりでなく、ノ臂イロ電気特
性を有する。ノ譬イロ電気的に誘起される分極はZnO
層表面に直角で、層34全部にわたって均一とみなし得
る。キャノ9シタC1およびC雪Kn起される・9イロ
電気分1itjl14#lJK示す、電極の面槓會適切
に選ぶことによって2つのキセノ4シタンスCIおよび
clのノlイロ電気出方はお互いに打消し合うようにす
ることができる。大雑把に貫えば、これは、キャノ臂シ
タのエツジ効果【無視すると、中心の電極24と外側の
環状電4j22が同一の表面積であることを意味する。 ダイヤフラム12が均一な圧力の下で撓んだときZnO
層に起る歪パターンを票5図に示す。圧ヵがダイヤフラ
ム】2の層34儒から与えられると、層34の中心部分
は圧縮され、層34の外側部分は引張られる。 キヤ・臂シタC1およびCsに誘起される圧電気分極を
第6図に示す、圧電信号は本願センナでは互いに加算し
合い、かくして、従来技術のセンナより素子の圧力感度
は増大する。圧電出力は電極領域上のローカルな圧電気
信号を積分することによって算出され、電極の寸法はノ
母イロ電気応答を打消し合わせるのに必要な等面積条件
を満足しつつ、最矢の圧電気志答を得るよう最も適切な
寸法とすることができる。 このセンサの好個な実施例においては、電極38、ダイ
ヤフラム12および外側の環状電電22の外径は3.1
8■の直径であった。外側の電極22の内径は2.38
mであり、中心電極24の直径は2.1mであっ九ダイ
ヤフラム12の厚さは、面42と面20間で約30ミク
ロンであり九。 ここでの説明では、代表的な構造ならびに寸法を示した
が、当業者において種々変更し得るゆえ本願センナはか
かる構造ならびに寸法に限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
第1図、纂2図、第3図は本発明のセンサの一実施fl
lK係る構造および電極構成を示す。 第4図、第5図、第6図は本発明のセンナの動作に関す
るものである。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  ある圧力【受けたとき、圧電出力信号音出力
    する幾何学形状に形成され、かつ、ノ臂イロ電気出力信
    号を有する圧電材料からなる圧電要素と、圧電出力信号
    を増強し、かつ、ノ々イロ電気出力信号をほぼ打消す幾
    何学形状を有し、前記強められた圧電出力信号音監視し
    得るように前記圧電要素に接続された導電接点からなる
    電極と【具備する圧電気圧力センサ。
  2. (2)  電極は、jl!1の電極と一対の電極とから
    なり、前記第1の電極は前記一対の電極から圧電材料に
    よ、シ分離されてなることを特徴とするJI11項に記
    載の圧電気圧力センナ。
  3. (3)  圧電要素は、纂1およびlI20面を有する
    層の形状に形成され、電極は、前記鮪10面の少くとも
    一部taう篤1の接点と、更に、前記第2の面の一5t
    −覆う一対の接点とからなることt特徴とする第1項に
    記載の圧電気圧力センナ。
  4. (4)第1の接点は、一対の接点の表面積とほぼ等しい
    表面積を有し、このはは等しい表面積は互いにはぼ相対
    向して位置することを特徴とする第3項に記載の圧電気
    圧力センナ。
  5. (5)  一対の電極は同心を有する幾何学形状を有す
    ることt41I像とする第4項に記載の圧電気圧力セン
    ナ。
  6. (6)  一対の電極は、はぼ等しい表面積を有するこ
    と1*黴とす−る第5項に記載の圧電気圧カ七ンナロ
  7. (7)圧電要素は、半導体?デーからエツチングにより
    得九半導体材料からなる〆イヤフラムを備え、一対の電
    極は圧電材料と半導体がデー間に位置してなることt%
    黴とするgi項、第2項、第3fj1 [4項、111
    !s項または1116項に記載の圧電気圧力センナ。
  8. (8)圧電材料は、Zooからなることt特徴とする@
    1項、第2項、第3項、114項、第5項、第6項また
    は11に7項に記載の圧電気圧力センナ。
JP58053468A 1982-03-30 1983-03-29 圧電気圧力センサ Granted JPS58182285A (ja)

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US363693 1982-03-30
US06/363,693 US4445384A (en) 1982-03-30 1982-03-30 Piezoelectric pressure sensor

Publications (2)

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JPH0324793B2 JPH0324793B2 (ja) 1991-04-04

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