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【発明の名称】 圧電検出素子
【発明者】 【氏名】梅村 敏夫

【氏名】山田 朗

【氏名】前田 智佐子

【氏名】佐藤 剛彦

【氏名】内川 英興
【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。
【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１〜１７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。
【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５−２６７４４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Ｐｔ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、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４およびコンデンサ（１ｐＦ〜１００ｐＦ）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％ＫＯＨ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１μｍ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５０ｎｍ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７１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２０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３２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５０１、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。
【出願人】 【識別番号】０００００６０１３
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月１９日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】青山 葆 （外１名）
【公開番号】 特開平１１−２７１３５１
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】 特願平１０−７０２７３