WO2007010909A1 - 圧力センサ素子及び圧力センサ - Google Patents

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piezoelectric
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pressure
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So Matsumoto
Haruyuki Endo
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Mikuni Corporation
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring 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
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/008—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor element and a pressure sensor that detect an applied pressure by detecting an electrical signal generated by a piezoelectric effect of a piezoelectric body.
  • quartz is generally used as the piezoelectric body.
  • Piezoelectric materials have a piezoelectric effect that generates an electric charge when stress is applied, but it is known that the piezoelectric effect of a piezoelectric body has a piezoelectric vertical axis effect and a piezoelectric horizontal axis effect.
  • FIG. 7 (A) shows a case where a stress F in the compression direction is applied to a pair of surfaces parallel to the polarization axis of the piezoelectric crystal.
  • the arrow X indicates the polarization axis direction of the piezoelectric body.
  • One face orthogonal to the polarization axis (in FIG. 7 (A) S i surface) positive charge + Q is generated in the other (in FIG. 7 (A) S 2 side) of the negative to A charge of Q is generated.
  • stress F is the tensile stress in the direction of the positive charge generated in the S 2 side in FIG. 7, a negative charge is generated on the screen. This effect represents the piezoelectric horizontal axis effect.
  • Figure 7 (B) is, S have stress F to S 2 surface is orthogonal to the polarization axis of the crystal shows a case that Gill pressurized. In this case, a positive charge + q is generated on the S plane and a negative charge -Q is generated on the S 2 'plane. This effect is a piezoelectric vertical axis effect. If the direction of the stress F is reversed, the sign of the generated charge is also reversed, as in the case of the piezoelectric horizontal axis effect.
  • piezoelectric vertical axis effect is proportional to the piezoelectric horizontal axis effect.
  • Piezoelectric longitudinal The axial effect is generally said to be about twice that of the piezoelectric horizontal axis effect.
  • the sensor sensitivity of the pressure sensor is determined by the magnitude of the output with respect to the pressurized pressure.
  • the output is indicated by the charge generation amount of the piezoelectric body, but the charge generation amount is a value corresponding to the piezoelectric constant of the piezoelectric body.
  • the piezoelectric constant is a constant that serves as an index of the amount of charge generated in the piezoelectric body, and the piezoelectric constant d is widely used.
  • the unit of the piezoelectric constant d is given by C Z N, and represents the charge generation amount C with respect to the unit stress N applied to the piezoelectric body. Since the piezoelectric body has a specific piezoelectric constant depending on the type, the sensor sensitivity is uniquely determined by the type of the piezoelectric body used.
  • Zinc oxide is known as a piezoelectric material that has a large piezoelectric effect and has no melting point up to its melting point of 1 975 ° C. Piezoelectric materials are required to have high purity, high crystallinity, and sufficiently high electrical resistance. Such a high-quality zinc oxide single crystal has not existed so far, and the use of zinc oxide as a piezoelectric material is limited to thin films (for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2 0 4-1 5 6 9 9 1) . Zinc oxide single crystals are not used in pressure sensors.
  • An object of the present invention is to provide a pressure sensor using a zinc oxide single crystal as a piezoelectric material, which is small and highly sensitive, and can be used even at high temperatures.
  • the present inventor considered that a zinc oxide substrate that is commercially available as an electronic material could be used for a pressure sensor, produced a sensor using the substrate, and investigated its performance. Then, we learned that single crystals with an impurity concentration of 10 ppm or less can be used as high-sensitivity sensors.
  • a pressure sensor element comprising a piezoelectric body made of zinc oxide single crystal and a pair of electrodes formed on the surface perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric body so as to face each other.
  • the shape of the cross section perpendicular to the polarization axis of the piezoelectric body is square or rectangular [1]
  • a pressure sensor comprising the pressure sensor element according to any one of [1] to [5].
  • An exterior container having a sensor part with one end open and the other end closed, a pressure receiving plate attached to one end of the sensor part in contact with the sensor part, an inner wall on the other end side of the sensor part, and a pressure receiving plate
  • a pressure sensor element comprising a piezoelectric body made of a zinc oxide single crystal interposed between and a pair of electrodes formed opposite to the polarization axis of the piezoelectric body, and a pair of pressure sensor elements
  • a pressure sensor having a lead wire for extracting an electrical signal generated between electrodes.
  • the zinc oxide single crystal used for the pressure sensor element does not have a single point until the melting point, and since the melting point is high, it can be used in a high temperature atmosphere that cannot be used with conventional piezoelectric materials.
  • the pressure sensor of the present invention using the pressure sensor element is a highly sensitive pressure sensor that can be used in a wide temperature range from room temperature to a high temperature atmosphere.
  • FIG. 1 is a plan view (A) and a side sectional view (B) showing an example of a pressure sensor element of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view (A) and a side sectional view (B) showing another example of the pressure sensor element of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view (A) and a side sectional view (B) showing another example of the pressure sensor element of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing an example of a pressure sensor using the pressure sensor element shown in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged sectional view showing an example of a pressure sensor using the pressure sensor element shown in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged sectional view showing another example of the pressure sensor using the pressure sensor element shown in FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram (A) showing the piezoelectric horizontal axis effect of the piezoelectric body and an explanatory diagram (B) showing the piezoelectric vertical axis effect.
  • FIG. 1 (A) is a plan view showing an example of the pressure sensor element of the present invention
  • FIG. 1 (B) is a side sectional view.
  • the pressure sensor element 1 includes a piezoelectric body 3 made of a rectangular parallelepiped zinc oxide single crystal, and thin film electrodes 5 a and 5 b covering a pair of surfaces 4 a and 4 b of the piezoelectric body 3.
  • the planes 4 a and 4 b are perpendicular to the polarization axis direction X of the zinc oxide single crystal forming the piezoelectric body 3.
  • 7a and 7b indicate lead wires
  • 9a and 9b indicate precious metal best.
  • the zinc oxide single crystal forming the piezoelectric body 3 preferably has an impurity concentration of Li, Al, Fe or the like of 10 ppm or less, more preferably 2 ppm or less.
  • the specific resistance of the piezoelectric body 3 is preferably 10 7 ⁇ ⁇ cm or more, and more preferably 10 8 ⁇ ⁇ cm or more.
  • the electrodes 5a and 5b can be used for the material of the electrodes 5a and 5b.
  • the electrode may be formed of a single layer film made of these metals, or may be formed of a multilayer film.
  • the thickness of the electrodes 5 a and 5 b when forming a film such as Ag by screen printing is preferably 1 to 50 m, and more preferably 3 to L 0 m.
  • the electrodes 5a and 5b can be formed by a known method such as vapor deposition, sputtering, screen printing, or spin coating.
  • FIG. 2 shows another example of the pressure sensor element of the present invention.
  • (A) is a plan view of the pressure sensor element
  • (B) is a sectional view taken along the line aa shown in (A).
  • lead wires and precious metal best are omitted.
  • the pressure sensor element 10 has a rectangular parallelepiped piezoelectric body 13 made of zinc oxide single crystal.
  • a pair of surfaces 14 a and 14 b perpendicular to the polarization axis direction X of the zinc oxide single crystal forming the piezoelectric body 1 3 is composed of first thin film electrodes 15 a and 15 b made of titanium,
  • the second thin film electrodes 17a and 17b made of platinum are sequentially covered.
  • the four side surfaces 16 parallel to the polarization axis direction X of the piezoelectric body 13 are covered with four protective films 18 each made of silicon dioxide (S i 0 2 ).
  • the material of the protective film 18 a known material can be used as long as it is an insulating material that does not short-circuit the electrodes 15 a and 15 b.
  • silicon nitride (SiN) Nalmina (A 1 2 0 3 ) Etc SiN
  • the protective film 18 may be formed to a thickness that can prevent adsorption and reaction of carbon dioxide, carbon monoxide, oxygen, water, etc. to the piezoelectric body 13. Specifically, the film thickness is preferably 1 to 30 m, and more preferably 5 to 10 zm. Examples of the method for forming the protective film 18 include sputtering, vacuum deposition, screen printing, spin coating, and CVD.
  • the protective film 28 is made of the polarization axis direction X of the piezoelectric body 13. May be integrally formed on four side surfaces 26 parallel to each other. Further, the protective film 28 is formed by integrating the four side surfaces 26 and the peripheral sides of the second thin film electrodes 27a and 27b formed outside the first thin film electrodes 25a and 25b. It may be covered. It is preferable that the surface of the piezoelectric body 23 is hermetically shielded from the outside by the protective film 28 and the second thin film electrodes 27a and 27b.
  • FIG. 1 A cross-sectional view of an example of a pressure sensor using the pressure sensor element shown in FIG. 1 is shown in FIG.
  • 1 0 0 is a pressure sensor using the piezoelectric horizontal axis effect
  • 1 0 1 is The pressure sensor element 1 1 5 is an outer container made of stainless steel.
  • the outer container 1 15 includes a sensor portion 1 1 7, a connecting portion 1 19 having a diameter larger than that of the sensor portion 1 1 7, and a shield portion 1 having a diameter larger than that of the connecting portion 1 1 9. 2 1 is formed integrally.
  • the sensor part 1 1 7, the connecting part 1 1 9, and the shield part 1 2 1 are all formed in a cylindrical or columnar shape (cylindrical or columnar in FIG. 4), and their central axes coincide.
  • the sensor portion 1 17 provided on one end side of the outer container 1 15 has a cylindrical structure in which one end is opened and the other end is closed.
  • the pressure receiving member 14 1 includes a disc-shaped pressure receiving plate 1 4 3 having rigidity and a cylindrical support portion 1 4 5 formed on the periphery of the pressure receiving plate 1 4 3.
  • the inner diameter of the support portion 1 4 5 is almost the same as the outer diameter of the one end side of the sensor portion 1 1 7.
  • the pressure sensor element 101 includes a piezoelectric body 10 3 made of a zinc oxide single crystal formed in a rectangular parallelepiped shape, and thin film electrodes 10 5 a and 1 0 5 b attached to a pair of opposing surfaces of the piezoelectric body. Configured.
  • the thin film electrodes 10 5 a and 10 5 b are parallel to the center axis of the sensor unit 1 1 7 and perpendicular to the polarization axis direction X of the zinc oxide single crystal constituting the piezoelectric body 1 1 3. .
  • Lead wires 1 0 7 a and 1 0 7 b are bonded to the thin film electrodes 1 0 5 a and 1 0 5 b by a precious metal paste (not shown), respectively.
  • the heat insulating members 1 2 3 are made of a heat insulating material exemplified by ceramics such as zirconia and are formed in a disk shape. The heat insulating member 1 2 3 is arranged perpendicular to the central axis of the sensor unit 1 1 7.
  • the connecting portion 1 1 9 of the outer container 1 1 5 is formed in a cylindrical shape, and lead wires 10 0 a and 1 0 7 b pass through the inside in parallel to the central axis.
  • Linking A thread 1 2 5 is spirally provided on the outer peripheral surface of the part 1 1 9, and the pressure sensor 1 0 0 can be attached to a device or the like by using the thread 1 2 5. ing.
  • the shield portion 1 2 1 is integrally formed on the other end side of the outer container 1 15, and includes a cylindrical peripheral wall 1 2 7 and a closed wall 1 2 9.
  • a pipe 1 3 1 is inserted into the shield part 1 2 1 along the central axis, and the lead wires 1 0 7 a and 1 0 7 b are drawn out of the pressure sensor 1 0 0 through the pipe 1 3 1. It is.
  • a pipe holding member 1 3 7 is disposed between the pipe 1 3 1 and the peripheral wall 1 2 7. Examples of the material of the pipe holding member 1 37 include metal materials such as stainless steel, alumina ceramics, and the like. Depending on the operating temperature of the pressure sensor 100, it is possible to use a pipe holding member 1 37 formed of a silicone resin.
  • the pressure receiving plate 1 4 3 When the pressure receiving plate 1 4 3 is pressurized, the pressure receiving member 1 4 1 bends in the other end direction along the central axis direction of the sensor portion 1 1 7. As a result, the piezoelectric body 103 is compressed via the insulating member 1 2 3. Electrical signals generated between the electrodes 1 0 5 a and 1 0 5 b formed on the piezoelectric body 1 0 3 are detected by a detection unit (not shown) connected to the lead wires 1 0 7 a and 1 0 7 b.
  • a detection unit not shown
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a pressure sensor using the pressure sensor element shown in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of one end side of the pressure sensor.
  • the pressure sensor 200 shown in FIG. 5 is a sensor using the piezoelectric horizontal axis effect.
  • the polarization axis direction X of the piezoelectric body 2 1 3 is perpendicular to the central axis of the sensor unit 2 1 7.
  • the support member 2 4 5 of the pressure receiving member 2 4 1 is welded to one end side of the sensor portion 2 1 7 by a welded portion 2 19. By this welding, the pressure receiving member 2 41 closes one end of the sensor portion 2 17 in an airtight manner.
  • the internal space 2 4 9 of the sensor part 2 17 closed by the pressure receiving member 2 4 1 is filled with an inert gas such as dry air or argon.
  • the interior space 2 4 9 is filled with dry air or inert gas by a known method such as dry air. Or it can carry out by welding in inert gas atmosphere. The method of welding the pressure receiving member 2 4 1 and the sensor portion 2 1 7 by air-tight sealing is well known.
  • 2 1 0 is a pressure sensor element
  • 2 1 3 is a piezoelectric body
  • 2 1 5 a and 2 1 5 b are first thin film electrodes
  • 2 1 7 a and 2 1 7 b are second thin films.
  • Electrodes, 2 1 8 are protective films
  • 2 0 7 a and 2 0 7 b are lead wires
  • 2 2 3 are heat insulating members.
  • Figure 6 shows an example of a pressure sensor that uses the piezoelectric vertical axis effect of the pressure sensor element.
  • the pressure sensor element 3 10 is inserted between the heat insulating members 3 2 3 and 3 24 disposed in the sensor portion 3 17.
  • the polarization axis direction X of the piezoelectric body 3 1 3 constituting the pressure sensor element is parallel to the central axis of the sensor portion 3 1 7.
  • the first thin film electrodes 3 15 a, 3 15 b, and the second thin film electrodes 3 17 a, 3 17 b are perpendicular to the central axis direction of the sensor unit 3 17.
  • the surface parallel to the polarization axis direction X of the piezoelectric body 3 1 3 is covered with a protective film 3 1 8.
  • T i sputtered film on both sides of 5 x 5 mm on a 5 x 5 x 0.5 mm zinc oxide substrate manufactured by Tokyo Denki Co., Ltd., specific resistance 10 8 ⁇ ⁇ cm
  • the film was formed to a thickness of 20 nm.
  • a Pt sputtering film was formed on the Ti sputtering film to a thickness of 100 nm to obtain a pressure sensor element.
  • the 5 ⁇ 5 mm plane is perpendicular to the polarization axis direction of the zinc oxide substrate.
  • Test example 1 The piezoelectric horizontal axis effect of the pressure sensor element obtained in Example 1 was evaluated. The piezoelectric effect was evaluated in accordance with “Electrical Test Method EMAS _ 6 1 0 0 of the Japan Electronic Materials Industries Association Standard Piezoelectric Ceramic Vibrator”.
  • a gold wire having a diameter of 0.1 mm and a length of 20 mm was fixed with a noble metal paste at the center of both surfaces on which a Ti film and a Pt film were formed, and used as a sample for measuring piezoelectric characteristics.
  • the piezoelectric constant d was calculated, the measured value of the piezoelectric constant d of the zinc oxide single crystal was 9 X 10 _ 12 CZN.
  • the piezoelectric constant d of zinc oxide single crystal is much larger than that of conventional piezoelectric materials, and is equivalent to 4 to 5 times the piezoelectric constant d of quartz shown in Table 1.
  • the piezoelectric vertical axis effect is not shown in the examples, the piezoelectric vertical axis effect is said to be about twice the piezoelectric horizontal axis effect, and a piezoelectric body with a large piezoelectric horizontal axis effect has a large piezoelectric vertical axis effect.
  • the piezoelectric vertical axis effect is said to be about twice the piezoelectric horizontal axis effect, and a piezoelectric body with a large piezoelectric horizontal axis effect has a large piezoelectric vertical axis effect.
  • a pressure sensor with higher sensitivity than a conventional piezoelectric body can be obtained regardless of whether the pressure sensor uses the piezoelectric horizontal axis effect or the piezoelectric vertical axis effect of zinc oxide single crystal. 'It is also confirmed that the piezoelectricity is maintained even at 500 ° C, and it is a sensor element that can be used even in a high temperature atmosphere. Therefore, it can be used for measuring the combustion pressure of an internal combustion engine such as an automobile.

Abstract

本発明により、一端が開放され他端が閉塞された筒状のセンサ部117を有する外装容器115と、センサ部の一端にセンサ部の中心軸に対して垂直に取り付けられた受圧板143と、センサ部の他端側内壁111と受圧板との間に介装され、酸化亜鉛単結晶からなる圧電体103と前記圧電体の分極軸に垂直方向表面に互いに対向して形成された一対の電極105a、105bとからなる圧力センサ素子101と、前記圧力センサ素子の一対の電極間に生じる電気信号を取り出すリード線107a、107bとを有する圧力センサが開示される。

Description

明細書
圧力センサ素子及び圧力センサ 技術分野
本発明は、 圧電体の圧電効果により発生する電気信号を検出すること により、 付与された圧力を検知する圧力センサ素子及び圧力センサに関 する。 背景技術
圧電体の圧電効果を利用して圧力を電気信号に変換して圧力を検知す る圧力センサにおいて、 圧電体には一般に水晶が使用されている。
圧電材料は応力が加えられると電荷を発生する圧電効果を有している が、 圧電体の圧電効果には圧電縦軸効果と圧電横軸効果があることが知 られている。
第 7図 （A ) は、 圧電体の結晶の分極軸と平行な一対の面に圧縮方向 の応力 Fが加えられた場合を示している。 図 7中、 矢印 Xは圧電体の分 極軸方向を示す。 分極軸と直交する面の一方 （第 7図 （A ) においては S i面） には正の電荷 + Qが発生し、 他方 （第 7図 （A ) においては S 2面） には負の電荷一 Qが発生する。 応力 Fが引張方向の応力である場 合は、 第 7図における S 2面に正の電荷が発生し、 エ面に負の電荷が 発生する。 この効果は、 圧電横軸効果を表している。
第 7図 （B ) は、 結晶の分極軸と直交する Sい S 2面に応力 Fが加 えられた場合を示している。 この場合、 Sェ面には正の電荷 + qが発生 し、 S 2 '面には負の電荷— Qが発生するが、 この効果は圧電縦軸効果で ある。 応力 Fの向きが逆転すれば、 発生する電荷の符号も逆転するのは 圧電横軸効果の場合と同様である。
圧電縦軸効果は圧電横軸効果に比例することが知られている。 圧電縦 軸効果は一般に圧電横軸効果の約 2倍といわれている。
圧力センサのセンサ感度は、 加圧された圧力に対する出力の大きさで 疋 れる。
圧電型圧力センサの場合、 出力は圧電体の電荷発生量で示されるが、 電荷発生量は圧電体の圧電定数に応じた値となる。 圧電定数とは圧電体 の電荷発生量の指標となる定数であり、 圧電定数 dが広く用いられてい る。 圧電定数 dの単位は C Z Nで与えられ、 圧電体に加えられた単位応 力 Nに対する電荷発生量 Cを表している。 圧電体は種類に応じて固有の 圧電定数を有しているので、 センサ感度は使用している圧電体の種類に よって一義的に決定される。
センサ感度を大きくしたい場合、 圧力を受ける面を大きくして圧電体 に加わる力を大きくする方法が取られるが、 必然的に圧力センサが大型 となる問題がある。 圧力センサも小型化への要請は大きいが、 過剰な小 型化はセンサ感度の低下を招くために小型化にも限界がある。
加えて、 圧電体固有の特性に由来する課題として使用温度の制約があ る。 汎用されている圧電材料はキュリー点を有するものが多い。 キユリ 一点とは結晶状態が転移して圧電性を失う温度を指し、 圧電体の融点に 達していなくてもキュリー点の近傍より高温側では圧電センサを使用す ることができない。 圧力センサの使用温度範囲を上げるにはキュリ一点 が非常に高いか、 あるいは融点までキユリ一点を持たない圧電体を使用 する必要がある。 このような圧電材料として、 例えば特開平 6— 2 5 8 1 6 5号公報 （請求項 1 ) にはタンタル酸リチウム、 特開平 1 0— 5 4 7 7 3号公報 （請求項 1 ) にはニオブ酸リチウムやランガサイ トが示さ れている。 比較のためにそれぞれの圧電材料の圧電定数 dの代表値、 キ ユリ一点、 及び融点を表 1に示す。 表 1
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発明の開示
酸化亜鉛は圧電効果が大きく、 かつ自身の融点 1 9 7 5 °Cまでキユリ —点をもたない圧電材料として知られている。 圧電材料は高純度で結晶 性が高く、 かつ電気抵抗が十分に大きいことが要求される。 そのような 良質な酸化亜鉛単結晶はこれまで存在せず、 圧電材料としての酸化亜鉛 の利用は薄膜に限られている （例えば特開 2 0 0 4— 1 5 6 9 9 1号公 報）。 酸化亜鉛単結晶は圧力センサには使用されていない。
本発明の目的は、 酸化亜鉛単結晶を圧電材料に使用した圧力センサで あって、 小型で感度が高く、 高温であっても使用できる圧力センサを提 供することにある。
本願発明者は、 電子材料として市販されている酸化亜鉛基板が圧力セ ンサに利用できないかと考えて、 前記基板を用いてセンサを作製し、 そ の性能を調べた。 すると、 不純物の濃度が 1 0 p p m以下の単結晶が高 感度センサとして利用できることを知得した。
上記課題を解決する本発明は、 以下に記載するものである。
〔 1〕 酸化亜鉛単結晶からなる圧電体と、 前記圧電体の分極軸に垂 直方向表面に互いに対向して形成された一対の電極とからなる圧力セン サ素子。
〔 2〕 圧電体の分極軸に対して垂直断面の形状が正方形または長方 形である 〔 1〕 に記載の圧力センサ素子。
〔 3〕 圧電体が、 前記一対の電極と、 圧電体の分極軸に平行方向の 少なくとも表面の一部に形成された保護膜で被覆された 〔 2〕 に記載の 圧力センサ素子。
〔4〕 圧電体を形成する酸化亜鉛単結晶の不純物濃度が 1 0 p pm 以下又は比抵抗が 1 07 Ω · c m以上である 〔 1〕 に記載の圧力センサ 素子。
〔 5〕 電極が、 P t、 T i、 Αιι、 C r、 W、 P d、 N i、 Ag又 は A 1 の 1層又は多層の膜で形成されてなる 〔 1〕 に記載の圧力センサ 素子。
〔 6〕 〔 1〕 乃至 〔 5〕 のいずれかに記載の圧力センサ素子を備え た圧力センサ。
〔 7〕 一端が開放され他端が閉塞されたセンサ部を有する外装容器 と、 センサ部の一端にセンサ部に当接して取り付けられた受圧板と、 セ ンサ部の他端側内壁と受圧板との間に介装された酸化亜鉛単結晶からな る圧電体と前記圧電体の分極軸に互いに対向して形成された一対の電極 とからなる圧力センサ素子と、 前記圧力センサ素子の一対の電極間に生 じる電気信号を取り出すリード線とを有する圧力センサ。
〔 8〕 圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して垂直である 〔 7〕 に記載の圧力センサ。
〔 9〕 圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して平行である 〔 7〕 に記載の圧力センサ。
〔 1 0〕 圧力センサ素子と受圧板との間に断熱部材を有する 〔7〕 に記載の圧力センサ。 本発明の圧力センサ素子は圧電効果に優れた酸化亜鉛単結晶を使用し ているので、 従来の圧電材料と比較して、 感度良く付与された圧力を計 測することができる。 圧力センサ素子の感度が良好であることから、 本 発明の圧力センサ素子を組み込んだ圧力センサは小型化が可能である。 圧力センサ素子に使用する酸化亜鉛単結晶は融点までキユリ一点が存 在せず、 また融点が高温であることから、 従来の圧電体材料では使用で きなかった高温雰囲気においても使用できる。
上記圧力センサ素子を使用した本発明の圧力センサは、 室温から高温 雰囲気までの広い温度範囲において使用できる高感度の圧力センサであ る。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の圧力センサ素子の一例を示す平面図 （A) 及び側 面断面図 （B) である。 第 2図は、 本発明の圧力センサ素子の他の例を 示す平面図 （A) 及び側面断面図 （B) である。 第 3図は、 本発明の圧 力センサ素子の他の例を示す平面図 （A) 及び側面断面図 （B) である。 第 4図は、 第 1図に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの一例を 示す断面図である。 第 5図は、 第 2図に示す圧力センサ素子を使用した 圧力センサの一例を示す拡大断面図である。 第 6図は、 第 2図に示す圧 力センサ素子を使用した圧力センサの他の例を示す拡大断面図である。 第 7図は、 圧電体の圧電横軸効果を示す説明図 （A) と、 圧電縦軸効果 を示す説明図 （B) である。
図中、 1、 1 0 1は圧力センサ素子； 3、 1 0 3は圧電体； 5 &、 5 b、 1 0 5 a, 1 0 5 ¾>は電極； 7 &、 7 b、 1 0 7 a、 1 0 7 bはリ ード線； 9 a、 9 bは貴金属ペースト ； 1 1 1は内壁； 1 1 5は外装容 器； 1 1 7はセンサ部； 1 1 9は連結部； 1 2 1はシールド部 ； 1 2 3 は断熱部材； 1 2 5はねじ山 ； 1 2 7は周壁； 1 2 9は閉塞壁； 1 3 1 はパイプ； 1 4 1は受圧部材； 1 4 3は受圧板； 1 4 5は支持部 ； 1 0 0は圧力センサ； Xは圧電体の分極軸方向である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の圧力センサ素子の一例を示す平面図を第 1図 （A) に、 側面 断面図を第 1図 （B) に示す。
第 1図中、 1は圧力センサ素子である。 圧力センサ素子 1は、 直方体 状の酸化亜鉛単結晶からなる圧電体 3と、 圧電体 3の一対の面 4 a、 4 bを被覆する薄膜電極 5 a及び 5 bとからなる。 面 4 a、 4 bは、 圧電 体 3を形成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向 Xに対して垂直である。 な お、 第 1図中、 7 a、 7 bはリード線、 9 a、 9 bは貴金属べ一ストを 示す。
圧電体 3を形成する酸化亜鉛単結晶は、 L i、 A l、 F e等の不純物 濃度が 1 0 p pm以下であることが好ましく、 2 p pm以下であること がより好ましい。
圧電体 3の比抵抗は 1 07 Ω · c m以上とすることが好ましく、 1 0 8 Ω · c m以上とすることがより好ましい。
電極 5 a、 5 bの材料には、 P t：、 T i、 Au、 C r、 W、 P d、 N i、 A g又は A 1 を使用することができる。 電極は、 これらの金属から なる 1層の膜で形成されていてもよいし、 多層の膜で形成されていても よい。 例えばスクリーン印刷で A g等の膜を形成する際の電極 5 a、 5 bの厚さは 1〜 5 0 mとすることが好ましく、 3〜： L 0 mとするこ とがより好ましい。
電極 5 a、 5 bは公知の方法、 例えば、 蒸着、 スパッタリング、 スク リーン印刷、 スピンコート法などの方法により形成できる。
本発明の圧力センサ素子の他の例を第 2図に示す。 第 2図中、 （A) は圧力センサ素子の平面図、 （B) は （A) に示す a— a線に沿った断 面図である。 第 2図においては、 リード線及び貴金属べ一ストについて は省略してある。 圧力センサ素子 1 0は、 酸化亜鉛単結晶からなる直方体状の圧電体 1 3を有している。 圧電体 1 3を形成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向 X に対して垂直な一対の面 1 4 a、 1 4 bは、 チタンからなる第 1薄膜電 極 1 5 a及び 1 5 bと、 白金からなる第 2薄膜電極 1 7 a及び 1 7 bで 順次被覆されている。
圧電体 1 3の分極軸方向 Xに対して平行な 4つの側面 1 6は、 それぞ れニ酸化珪素 （S i 〇2) からなる 4枚の保護膜 1 8で被覆されている。 保護膜 1 8の材質としては電極 1 5 a、 1 5 b間を短絡しない絶縁材 料であれば公知の材料を使用でき、 例えば窒化シリコン （S i N) ゃァ ルミナ （A 1 203) 等を挙げることができる。
保護膜 1 8は、 圧電体 1 3への二酸化炭素、 一酸化炭素、 酸素、 水等 の吸着や反応が防止できる程度の厚さに形成すればよい。 具体的には膜 厚を l〜 3 0 mとすることが好ましく、 5〜 1 0 zmとすることがよ り好ましい。 保護膜 1 8の成膜方法としては、 スパッタリング、 真空蒸 着、 スクリーン印刷、 スピンコート法、 CVD法等が例示される。
保護膜 1 8の形状としては、 圧電体 1 3が圧力センサ素子の表面に露 出しないような形状であれば他の形状のものも使用することが可能であ る。 例えば、 第 3図の平面図 （A) 及び平面図 （A) の b— b線に沿つ た断面図 （B) に示すように、 保護膜 2 8は圧電体 1 3の分極軸方向 X に対して平行な 4つの側面 2 6上に一体に形成されていてもよい。 更に、 保護膜 2 8は、 4側面 2 6と、 第 1薄膜電極 2 5 a、 2 5 bの外側に形 成された第 2薄膜電極 2 7 a、 2 7 bの周縁側とを一体になつて被覆し ていてもよい。 圧電体 2 3の表面は、 保護膜 2 8と、 第 2薄膜電極 2 7 a、 2 7 bとにより気密に外界と遮蔽されていることが好ましい。
第 1図に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの一例の断面図を 第 4図に示す。
第 4図中、 1 0 0は圧電横軸効果を利用した圧力センサで、 1 0 1は 圧力センサ素子、 1 1 5はステンレススチールで形成された外装容器で ある。 外装容器 1 1 5は、 センサ部 1 1 7と、 前記センサ部 1 1 7より も大径の連結部 1 1 9と、 前記連結部 1 1 9よりも更に大径に形成され たシールド部 1 2 1 とを一体に形成してなる。 センサ部 1 1 7、 連結部 1 1 9、 シールド部 1 2 1はいずれも筒状又は柱状 （第 4図においては、 円筒状又は円柱状） に形成され、 これらの中心軸は一致する。
外装容器 1 1 5の一端側に設けられているセンサ部 1 1 7は、 一端が 開放され他端が閉塞された円筒状の構造になっている。
センサ部 1 1 7の一端には、 一端が閉じた円筒状に形成された受圧部 材 1 4 1が取り付けられている。 受圧部材 1 4 1は、 剛性を有する円板 状の受圧板 1 4 3と、 受圧板 1 4 3の周縁に形成された円筒状の支持部 1 4 5 とからなる。 支持部 1 4 5の内径はセンサ部 1 1 7の一端側外径 とほぼ同じ大きさである。 受圧部材 1 4 1をセンサ部の一端側に被せて 装着することにより受圧部材 1 4 1はセンサ部の一端を閉塞する。
センサ部の他端側内壁 1 1 1 と受圧板 1 4 3との間には圧力センサ素 子 1 0 1 と断熱部材 1 2 3が介装されている。 圧力センサ素子 1 0 1は、 直方体状に形成された酸化亜鉛単結晶からなる圧電体 1 0 3と、 圧電体 の一対の対向面に取り付けられた薄膜電極 1 0 5 a及び 1 0 5 bで構成 される。 薄膜電極 1 0 5 a 、 1 0 5 bは、 センサ部 1 1 7の中心軸に対 して平行かつ圧電体 1 1 3を構成する酸化亜鉛単結晶の分極軸方向 Xに 対して垂直である。 薄膜電極 1 0 5 a 、 1 0 5 bには、 それぞれ不図示 の貴金属ペーストによりリード線 1 0 7 a 、 1 0 7 bが接着されている。 断熱部材 1 2 3はジルコニァ等のセラミックスで例示される熱絶縁材料 で円板状に形成されている。 断熱部材 1 2 3は、 センサ部 1 1 7の中心 軸に対して垂直に配置されている。
外装容器 1 1 5の連結部 1 1 9は円柱状に形成され、 その内部を中心 軸に対して平行にリード線 1 0 Ί a及び 1 0 7 bが貫通している。 連結 部 1 1 9の外周面には螺旋状にねじ山 1 2 5が設けられており、 このね じ山 1 2 5を利用して圧力センサ 1 0 0を装置等に取り付けることが可 能になっている。
シールド部 1 2 1は、 外装容器 1 1 5の他端側に一体に形成されてお り、 円筒状の周壁 1 2 7と、 閉塞壁 1 2 9とからなる。 シールド部 1 2 1には中心軸に沿ってパイプ 1 3 1が挿入されており、 このパイプ 1 3 1を通して前記リード線 1 0 7 a、 1 0 7 bが圧力センサ 1 0 0の外部 に引き出されている。 パイプ 1 3 1と周壁 1 2 7との間には、 パイプ保 持部材 1 3 7が配設されている。 パイプ保持部材 1 3 7の材料としては、 ステンレススチール等の金属材料、 アルミナ系セラミックス等が例示さ れる。 圧力センサ 1 0 0の使用温度によっては、 シリコーン系樹脂で形 成されたパイプ保持部材 1 3 7を用いることも可能である。
受圧板 1 4 3が加圧されると受圧部材 1 4 1はセンサ部 1 1 7の中心 軸方向に沿って他端方向にたわむ。 これにより絶縁部材 1 2 3を介して 圧電体 1 0 3が圧縮される。 圧電体 1 0 3に形成された電極 1 0 5 a、 1 0 5 b間に生じた電気信号は、 リード線 1 0 7 a、 1 0 7 bが接続す る不図示の検出部で検知される。
次に、 第 2図に示す圧力センサ素子を使用した圧力センサの断面図を 第 5図に示す。 第 5図は、 圧力センサの一端側を拡大した断面図である。 第 5図に示す圧力センサ 2 0 0は圧電横軸効果を利用したセンサであ る。 圧電体 2 1 3の分極軸方向 Xは、 センサ部 2 1 7の中心軸に対して 垂直である。 圧力センサ 2 0 0において、 受圧部材 2 4 1は支持部 2 4 5がセンサ部 2 1 7の一端側に溶接部 2 1 9で溶接されている。 この溶 接により受圧部材 2 4 1はセンサ部 2 1 7の一端を気密に閉塞する。 受 圧部材 2 4 1で閉塞されたセンサ部 2 1 7の内部空間 2 4 9は、 乾燥空 気又はアルゴン等の不活性ガスが充填されている。 なお、 内部空間 2 4 9への乾燥空気又は不活性ガスの充填は、 公知の方法、 例えば乾燥空気 又は不活性ガス雰囲気で溶接することにより行うことができる。 受圧部 材 2 4 1 とセンサ部 2 1 7を溶接して気密に封止する方法自体は公知で ある。
なお、 第 5図中、 2 1 0は圧力センサ素子、 2 1 3は圧電体、 2 1 5 a及び 2 1 5 bは第 1薄膜電極、 2 1 7 a及び 2 1 7 bは第 2薄膜電極、 2 1 8は保護膜、 2 0 7 a、 2 0 7 bはリ一ド線、 2 2 3は断熱部材で ある。
圧力センサ素子の圧電縦軸効果を利用した圧力センサの例を第 6図に 示す。
第 6図に示す圧力センサ 3 0 0において、 圧力センサ素子 3 1 0は、 センサ部 3 1 7内に配置された断熱部材 3 2 3と 3 24の間に挿入され ている。 圧力センサ素子を構成する圧電体 3 1 3の分極軸方向 Xはセン サ部 3 1 7の中心軸に平行である。 第 1薄膜電極 3 1 5 a、 3 1 5 b, 及び第 2薄膜電極 3 1 7 a, 3 1 7 bは、 センサ部 3 1 7の中心軸方向 に対して垂直である。 圧電体 3 1 3の分極軸方向 Xに対して平行方向の 表面は、 保護膜 3 1 8で被覆されている。
なお、 その他の点は第 5図と同様であるので、 同一部分に同一符号を 付けてその説明を省略する。 実施例
実施例 1
5 X 5 X 0. 5 mmの寸法に加工した酸化亜鉛基板 （東京電波 （株） 製、 比抵抗公称値 1 08 Ω · c m) の 5 X 5 mmの両面に T i のスパッ 夕膜を厚さ 2 0 nmに成膜した。 更に、 T iのスパッ夕膜の上に P tの スパッ夕膜を厚さ 1 0 0 nmに成膜し、 圧力センサ素子を得た。 なお、 5 X 5mmの面は、 酸化亜鉛基板の分極軸方向に垂直である。
試験例 1 実施例 1で得られた圧力センサ素子の圧電横軸効果を評価した。 圧電 効果の評価は、 「日本電子材料工業会標準規格 圧電セラミック振動子 の電気的試験方法 EMAS _ 6 1 0 0」 に準拠して行った。
T i膜、 P t膜を成膜した両面の中心部に直径 0. l mm、 長さ 2 0 mmの金ワイヤを貴金属ペーストで固定して圧電特性測定用試料とした。 圧電定数 dを算出したところ、 酸化亜鉛単結晶の圧電定数 dの測定値 は、 9 X 1 0 _1 2 CZNであった。
酸化亜鉛単結晶の圧電定数 dは従来の圧電材料と比較して際だって大 きい数値を示しており、 表 1に示した水晶の圧電定数 dの 4〜 5倍に相 当する値である。
実施例に圧電縦軸効果は示していないが、 圧電縦軸効果は圧電横軸効 果の約 2倍といわれており、 圧電横軸効果が大きい圧電体は圧電縦軸効 果も大きいことが知られている。
従って、 圧力センサに酸化亜鉛単結晶の圧電横軸効果、 圧電縦軸効果 のどちらを利用した場合も従来の圧電体より高感度の圧力センサとする ことができる。 ' また、 5 0 0 °Cにおいても圧電性を維持していることが確認され、 高 温雰囲気でも使用可能なセンサ素子である。 そのため、 例えば自動車等 の内燃機関の燃焼圧測定用として用いることが可能である。

Claims

請求の範囲
1 . 酸化亜鉛単結晶からなる圧電体と、 前記圧電体の分極軸に垂直方 向表面に互いに対向して形成された一対の電極とからなる圧力センサ素 子。
2 . 圧電体の分極軸に対して垂直断面の形状が正方形または長方形で ある請求項 1に記載の圧力センサ素子。
3 . 圧電体が、 前記一対の電極と、 圧電体の分極軸に平行方向の少な くとも表面の一部に形成された保護膜で被覆された請求項 2に記載の圧 力センサ素子。
4 . 圧電体を形成する酸化亜鉛単結晶の不純物濃度が 1 0 p p m以下 又は比抵抗が 1 0 7 Ω · c m以上である請求項 1に記載の圧力センサ素 子。
5 . 電極が、 P t、 T i、 A u、 C r、 W、 P d、 N i、 A g又は A 1 の 1層又は多層の膜で形成されてなる請求項 1に記載の圧力センサ素 子。
6 . 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の圧力センサ素子を備えた圧力 センサ。
7 . 一端が開放され他端が閉塞されたセンサ部を有する外装容器と、 センサ部の一端にセンサ部に当接して取り付けられた受圧板と、 センサ 部の他端側内壁と受圧板との間に介装された酸化亜鉛単結晶からなる圧 電体と前記圧電体の分極軸に互いに対向して形成された一対の電極とか らなる圧力センサ素子と、 前記圧力センサ素子の一対の電極間に生じる 電気信号を取り出すリ一ド線とを有する圧力センサ。
8 . 圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して垂直である請求項 7 に記載の圧力センサ。
9 . 圧電体の分極軸がセンサ部の中心軸に対して平行である請求項 7 に記載の圧力センサ。
1 0 . 圧力センサ素子と受圧板との間に断熱部材を有する請求項 7に 記載の圧力センサ。
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