專利名稱：壓電/電致伸縮膜元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電/電致伸縮膜元件，涉及在利用彎曲位移的驅(qū)動裝置(actuator)例如麥克風(fēng)，或流體特性或聲壓、微重量、加速度等的傳感器例如粘度傳感器中使用的壓電/電致伸縮膜元件。
背景技術(shù)：
壓電/電致伸縮膜元件，歷來作為驅(qū)動裝置(actuator)或各種傳感器使用。作為傳感器使用的壓電/電致伸縮膜元件，如專利文獻1所示的那樣，用于對流體的密度、濃度、粘度等的特性測定。這樣的元件是利用壓電體的振子的振幅和與振子接觸的流體的粘性阻抗相關(guān)的原理，作為傳感器來使用的元件。
一般來說，在振子的振動那樣的機械系統(tǒng)中的振動形態(tài)，能夠置換成為電氣系統(tǒng)中的等價回路，在流體中使壓電/電致伸縮膜振子振動，通過根據(jù)流體的粘性阻抗該振子受到的機械阻抗檢測出構(gòu)成振子的壓電體的等價回路的電常數(shù)的變化，能夠測定流體的粘度、密度、濃度等特性。作為可能測定的流體，是氣體及液體，不僅包含由水、酒精、油等單一的成分組成的液體，還包含在這些液體中溶解了或混合了或懸浮濁了可溶和或不可溶的媒質(zhì)的液體、料漿、糊膏。
另外，作為檢測出的電氣常數(shù)，可以列舉出損失系數(shù)、相位、電阻、電抗、電導(dǎo)、電納、電感及電容，特別理想的是使用在等價回路的共振頻率附近具有一個極大值或極小值的損失系數(shù)和或相位。由此不僅可以測定流體的粘度，而且可以測定密度或濃度，如可以測定硫酸水溶液中的硫酸濃度。此外，作為檢測出振動形態(tài)的變化的指標(biāo)在電氣常數(shù)以外，從測定精度、耐久性的觀點出發(fā)，如果沒有其他特別的問題時，也可以利用共振頻率的變化。
這樣的壓電/電致伸縮膜元件，如專利文獻2公開展示的那樣，如圖1所示，在和具有在周邊部上有較厚部3的較薄隔板的陶瓷板形成的基板上疊置的下部電極4獨立的位置上形成輔助電極8，使該輔助電極的一部分進入壓電/電致伸縮膜5下方的一部分那樣形成。通過這樣的構(gòu)成，可以在輔助電極8及壓電/電致伸縮膜5的面上無斷線連續(xù)形成上部電極6，提高了上部電極6連接的可靠性。此外，在圖1中，被測定流體存在于空洞部10中，通過貫通空9被導(dǎo)入。而且，由于輔助電極8在從較薄的隔板3到較厚部3上連續(xù)形成，因此得到了穩(wěn)定的元件特性和在什么使用條件下都能適用的元件。
專利文獻1特開平8-201265號公報專利文獻2特開2002-261347號公報在通過檢測基于這樣振動的電氣特性而進行傳感檢測的傳感器用元件中，在例如通過相位的峰值檢測共振頻率變化的場合，希望得到如圖2所示在共振頻率中相位的峰值尖銳的元件，來作為識別能力或靈敏度高的傳感器用元件。但是現(xiàn)有技術(shù)不能得到峰值的尖銳度很充分的元件，成為在進行高精度檢測時的障礙。
在圖1所示的現(xiàn)有的壓電/電致伸縮膜元件中，如圖4所示的那樣，相對于理想的振動變形形狀，實際的振動變形是偏離的，這點的原因與檢測出被測定流體的各種各樣的噪音的事實有關(guān)，結(jié)果是得不到尖銳的電氣特性的變化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對此問題進行的發(fā)明。即，本發(fā)明的目的是，提供能夠使理想的振動變形形狀和實際振動變形形狀一致的壓電/電致伸縮膜元件。另外，由此提供靈敏度高的傳感器元件。
即，有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜元件的特征在于，其在由在周邊部上擁有較厚部的較薄隔板部的陶瓷形成的基板上順次疊置下部電極及輔助電極、壓電/電致伸縮膜、和上部電極形成，上述上部電極的長度為較薄隔板部的長度的30％以上(含30％)70％以下(含70％)。
另外，有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜元件的特征在于，其由在周邊部上擁有較厚部的較薄隔板部的陶瓷形成的基板上順次疊置下部電極及輔助電極、壓電/電致伸縮膜、和上部電極形成，上述上部電極的寬度是較薄隔板部3的寬度的70％或以上。
此外，這里所說的上述上部電極的長度及上述較薄隔板部的長度，指的是與空洞部10的長邊方向相平行的方向中的各部件兩端間的距離，上述上部電極的寬度及上述較薄隔板部的寬度，指的是與空洞部10的短邊方向相平行的方向中的各部件兩端間的距離。
根據(jù)本發(fā)明提供的壓電/電致伸縮膜元件由于理想的振動變形形狀與實際振動變形形狀一致，所以能夠得到尖銳的電氣特性的變化，因此能夠提供識別能力或靈敏度高的傳感器元件。
圖1是展示了現(xiàn)有的壓電/電致伸縮膜元件的實施形態(tài)的說明圖；圖2是展示了作為壓電/電致伸縮膜元件希望得到的峰值形狀的說明圖；圖3是展示了在現(xiàn)有的壓電/電致伸縮膜元件中的峰值形狀的說明圖；圖4是展示了現(xiàn)有的振動變形形狀的說明圖；圖5是展示了有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜元件的實施形態(tài)的說明圖；圖6是展示了在圖5中的振動變形形狀的說明圖；圖7是展示了有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜元件的其他實施形態(tài)的說明圖；圖8是展示了在圖7中的振動變形形狀的說明圖；圖9是展示了有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜元件的其他實施形態(tài)的說明圖；圖10是展示了在圖9中的振動變形形狀的說明圖。
具體實施例方式
以下，關(guān)于本發(fā)明的最佳實施形態(tài)進行說明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于以下的實施形態(tài)，在不脫離本發(fā)明的目的范圍內(nèi)，根據(jù)從業(yè)者的通常的知識，可以適當(dāng)添加設(shè)計的變更、改良等。
有關(guān)本發(fā)明的壓電/電致伸縮膜型元件，如圖1所示的那樣，在由較薄的隔板部3和較厚部2組成的陶瓷基板1的上面，通過通常的膜形成的方法，順次疊置下部電極4、壓電/電致伸縮膜5及上部電極6，成為一體結(jié)構(gòu)而形成。
下部電極4的輔助電極8側(cè)的一端，具有到不超過較薄隔板部3的位置的長度形成。在和下部電極4同一面上的、與其獨立的位置上，輔助電極8在像要進入壓電/電致伸縮膜5的下邊那樣的位置上，具有從與下部電極4反對側(cè)的較厚部1開始到較薄隔板部3為止的一定的長度連續(xù)形成。壓電/電致伸縮膜5跨越下部電極4和輔助電極8那樣形的，上部電極6跨越壓電/電致伸縮膜5和輔助電極8，與輔助電極8接通形成。
上部電極6的長度Lu為隔板部3的長度Ld的30％到70％，此外，關(guān)于上部電極6中為了接通與輔助電極8的連接部分，因為不提供壓電/電致伸縮膜元件的實質(zhì)的動作，這里就不包含在長度Lu里了。
該長度，在長度超過70％的時候，就得不到作為結(jié)果的尖形的峰值，另外，在長度比30％短的時候，電氣常數(shù)的值就變得很小，導(dǎo)致靈敏度降低。
此外，為了得到尖銳的峰值，對上部電極6的長度Lu有作用的上部電極6的長度方向的形狀，最好使用線對稱的形式。因為采用對稱形狀，就能夠產(chǎn)生僅僅強調(diào)固有振動的振動。
作為陶瓷基板1的材料，最好選用具有耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性的材料。這點是因為如后所述，在將下部電極4、壓電/電致伸縮膜5、上部電極6進行一體化處理時，有時采用熱處理，作為傳感器元件的壓電/電致伸縮膜元件在檢測液體的特性時，該液體有時具有導(dǎo)電性、腐蝕性。
作為從此觀點出發(fā)能夠使用的陶瓷可以舉出穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硅及玻璃等例子。其中因為在用穩(wěn)定的氧化鋯薄薄地形成較薄隔板部的場合也可以高度保持機械強度柔韌性優(yōu)良，所以很適合使用。
作為陶瓷基板1的較薄隔板部3的厚度，為了不使驅(qū)動振幅變小，一般為50um或以下，較好的是30um或以下，最好是15um或以下。
而，作為較薄隔板部的表面形狀，長方形、正方形、三角形、橢圓形、圓形等任何形狀都可以。為了得到理想的變形形狀，最好使用長寬比為1.5或以上的長方形、長圓形、橢圓形。
在這樣的陶瓷基板1的表面上形成下部電極4及輔助電極8。
此時，下部電極4的寬度可以比隔板部3的寬度大，另一方面，也可以比壓電/電致伸縮膜5的寬度小。
另一方面，輔助電極8從與陶瓷基板1的下部電極4反對側(cè)的端部到較薄隔板部3上一定的位置連續(xù)形成。下部電極4及輔助電極8的較厚部上的端部分別與不同端子電極11連接。
下部電極4及輔助電極8，不管是不同材料，還是同種材料，使用與陶瓷基板1和壓電/電致伸縮膜5任何一個結(jié)合性好的導(dǎo)電材料。
具體說，最好使用以白金、鈀、鐒、銀、或這些元素的合金為主要成分的電極材料，特別是，在形成壓電/電致伸縮膜的時候要進行以燒結(jié)為目的的熱處理的場合，最好使用白金或以白金為主要成分的合金。
為形成下部電極4和輔助電極8，使用公知的各種膜形成方法。具體說，可以適當(dāng)選擇離子束、濺射、真空蒸著、CVD、離子電鍍、電鍍等薄膜形成方法，或絲網(wǎng)印刷、噴射、浸漬(dipping)等厚膜形成方法，不過其中特別適宜選用濺射法及絲網(wǎng)印刷法。
在下部電極4和輔助電極8之間設(shè)置使壓電/電致伸縮膜5和較薄隔板部3結(jié)合的結(jié)合層時，在壓電/電致伸縮膜5的形成前，可以在如圖1所示的位置上，形成結(jié)合層7。
通過形成結(jié)合層7，在得到理想的振動變形形狀之外，使隔板部3上的剛度均勻。
作為由絕緣體組成的結(jié)合層7，只要壓電/電致伸縮膜5和陶瓷基板1雙方的密接性、結(jié)合性高，不管是有機材料，還是無機材料，任何材料都可以使用。
作為結(jié)合層7使用的材料的熱膨脹系數(shù)，最好具有基板材料的熱膨脹系數(shù)及壓電/電致伸縮膜5中使用的材料的熱膨脹系數(shù)的中間的值，因為能得到可靠性高的結(jié)合性。在為燒結(jié)而對壓電/電致伸縮膜5進行熱處理時，作為構(gòu)成結(jié)合層7的材料，因為要使壓電/電致伸縮膜5和陶瓷基板1雙方的密接性、結(jié)合性提高，最好使用向壓電/電致伸縮膜5中使用的材料中添加微量的玻璃成分的材料，或是具有壓電/電致伸縮膜5的熱處理溫度以上的軟化點的玻璃材料。
而且，當(dāng)由下文的(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其為主要成分的材料、或由(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0≤x≤0.06)和或以其為主要成分的材料構(gòu)成壓電/電致伸縮膜5時，因為能夠使壓電/電致伸縮膜5和陶瓷基板1的雙方的密接性、結(jié)合性提高；抑制熱處理時的對壓電/電致伸縮膜5及基本1的不良影響，所以最好使用向(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0≤x≤0.5)為主要成分的材料中添加微量玻璃成分的結(jié)合層7。
即，由于通過用向(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0≤x≤0.5)微量添加玻璃成分后的材料來形成結(jié)合層7，而具有與壓電/電致伸縮膜5同樣的成分，所以和壓電/電致伸縮膜5的密且接觸性高，沒有單獨使用玻璃時容易產(chǎn)生異種元素擴散的問題，又因含有KNbO3，所以能夠產(chǎn)生與基板1的反應(yīng)性很高的堅固的結(jié)合。另外，由于取(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0.08≤x≤0.5)作為結(jié)合層的主要成分，因為結(jié)合層幾乎不顯示壓電特性，使用時對于在下部電極4和輔助電極8上產(chǎn)生的電場并不發(fā)生振動或位移及應(yīng)力，因此可以得到穩(wěn)定的元件特性。
為形成這些結(jié)合層7，在使用通常的厚膜生成手法，特別是如壓印法、絲網(wǎng)印刷法，或當(dāng)要形成的部分的尺寸為數(shù)10μm-數(shù)100μm程度時，最好使用噴墨法。另外，當(dāng)結(jié)合層7的熱處理必要時，可以在接下來的壓電/電致伸縮膜5的形成前進行熱處理，也可以在壓電/電致伸縮膜5的形成后同時進行熱處理。
壓電/電致伸縮膜5是跨越了下部電極4、輔助電極8及結(jié)合層7形成的。作為壓電/電致伸縮膜的材料，只要顯示了壓電/電致伸縮效果的材料中的任何一種材料都可以，作為這樣的材料，可以舉出，鋯酸鉛、鈦酸鉛、鈦酸鋯酸鉛(PZT)等鉛系陶瓷壓電/電致伸縮材料，或鈦酸鋇及以其為主要成分的鈦鋇系陶瓷強電介質(zhì)，或以聚偏二氟乙烯(PVDF)為代表的高分子壓電體，或以(Bi0.5Na0.5)TiO3為代表的Bi系陶瓷壓電體，Bi層狀陶瓷。當(dāng)然，不用說也可以使用改善了壓電/電致伸縮特性的、這些物質(zhì)的混合物或固溶體及向這些物質(zhì)中添加了添加物的材料。
作為壓電特性高、能夠高靈敏度檢測的材料，優(yōu)選使用PZT系壓電體。在本發(fā)明中，特別優(yōu)選使用從鈦酸鉛、鋯酸鉛、鈮鎂酸鉛、鎳鈮酸鉛中選擇的至少一種或一種以上為主要成分而構(gòu)成的壓電體，因為容易得到能和構(gòu)成基板的材料的反應(yīng)性低、很難發(fā)生熱處理中的成分分布不均、順利地進行為保持組成的處理為目的的組成、結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
另外在下部電極4及輔助電極8中使用白金或以白金為主要成分的合金時，因為與這些材料的結(jié)合性更高，且元件的特性分布不均的現(xiàn)象減少，能夠得到高可靠性，所以優(yōu)選使用(Bi0.5Na0.5)TiO3或以其為主要成分的材料。這些材料中，特別是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0≤x≤0.06)或以其為主要成分的材料構(gòu)，因為具有較高的壓電特性，所以最好使用此種材料。
作為壓電/電致伸縮膜5，這樣的壓電/電致伸縮材料，和下部電極4和輔助電極8一樣，通過公知的各種膜形成法來形成。其中從低成本的觀點出發(fā)，最好采用絲網(wǎng)印刷的方法。
通過這樣形成的壓電/電致伸縮膜5根據(jù)需要進行熱處理，和下部電極4、輔助電極8及結(jié)合層7一起被一體化。為了抑制元件的特性分布不均，提高可靠性，在需要使壓電/電致伸縮膜5和下部電極4及輔助電極8、結(jié)合層7的結(jié)合性更加加強時，最好使用(Bi0.5Na0.5)TiO3和或以其為主要成分的材料、特別是(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xKNbO3(x是摩爾比率0≤x≤0.06)和或以其為主要成分的材料，在900℃到1400℃最好為1000℃到1300℃的溫度下進行熱處理。使用PZT系材料時也是一樣的。此時，為了不使壓電/電致伸縮膜5在高溫時不安定，最好一邊對壓電/電致伸縮材料的蒸發(fā)源與大氣一起進行控制，一邊進行熱處理。
進而，在這樣形成的壓電/電致伸縮膜5的上面，上部電極6跨越壓電/電致伸縮膜5和輔助電極8連續(xù)形成。
作為該上部電極6的材質(zhì)，使用與壓電/電致伸縮膜5結(jié)合性高的導(dǎo)電性材料，通過與下部電極4及輔助電極8同樣的膜形成法來形成。
而且，上部電極6在膜形成后根據(jù)需要進行熱處理，與壓電/電致伸縮膜5及輔助電極8結(jié)合，形成一體結(jié)構(gòu)。這樣的熱處理不是非必要不可的，與下部電極4的情況相同。
為了成為理想的變形形狀，希望隔板3上的剛性是均一的，為了這個目的，比起通過使用粘結(jié)劑來結(jié)合下部電極4、輔助電極8、結(jié)合層7、壓電/電致伸縮膜5、上部電極6，通過熱處理與隔板部3一體化的方法就更好些。
上部電極6的長度Lu為隔板部3的長度Ld的30％到70％。為了得到理想的變形形狀，上部電極6的寬度，對于隔板部3的寬度，應(yīng)為其70％或以上。此外，比較上部電極6和隔板部3的寬度時，在各自的寬度的長度內(nèi)用最長的部分進行比較。
為了得到尖銳的峰值，上部電極6的寬度方向的形狀，希望是線對稱的形狀。這是因為采用對稱形狀，能夠產(chǎn)生僅強調(diào)固有振動的振動。
進而，希望能使上部電極6和隔板3的中心一致，但是如果從中心的偏離，在隔板部3的長度方向上對隔板部3的長度在5％或以下，在寬度方向上對隔板部3的寬度10％或以下的話，由于能夠得到理想的變形形狀沒有問題。
此外，對于隔板部3的面積，對上部電極6的動作有效的部分所占的面積的比例最好是15％(含15％)以上40％(含40％)以下。該比例如果是15％或以上的話就能得到檢測所必要的振動，而如果是40％或以下的話就能得到對振動有利的剛性。
圖5展示了作為本發(fā)明的一個實施例的傳感器用壓電/電致伸縮膜元件。在圖6中表示了取上部電極的形狀是長方形、Lu/Ld為0.42時及為0.57(實施例1)時的實際的振動變形形狀。
從圖5明確表示，接近理想的振動變形形狀，與這些元件的頻率對應(yīng)的相位峰值成為圖2那樣，得到了尖銳的峰值。
另外，如圖7所示，在上部電極的形狀是菱形，Lu/Ld為0.57(實施例2)時，實際的振動變形形狀如圖8所示，接近理想的振動變形形狀，與這些元件的頻率對應(yīng)的相位峰值成為圖2那樣，得到了尖銳的峰值。
另外，如圖9所示，上部電極的形狀是圓形，Lu/Ld為0.42(實施例3)時，實際的振動變形形狀如圖10所示，比較現(xiàn)有的例子更加接近理想的振動變形形狀，與這些元件的頻率對應(yīng)的相位峰值成為圖2那樣，得到了尖銳的峰值。
此外，下部電極4、結(jié)合層7、壓電/電致伸縮膜5、上部電極6通過熱處理結(jié)合時，可以在各自形成的每次進行熱處理，也可以順次把各自形成膜后，同時進行熱處理。不用說，在熱處理時，為了得到良好的結(jié)合性和抑制因構(gòu)成元素擴散引起的變質(zhì)，要選擇適宜的熱處理溫度。
另外，圖1中在空洞部10上形成了貫通孔9，但是元件與流體接觸的空洞部10以下的結(jié)構(gòu)，沒有蓋的單純的空腔結(jié)構(gòu)等，什么樣的結(jié)構(gòu)都可以，這里不作限定。
而且，壓電/電致伸縮膜5的長度方向的端部，可以配置成沒有超過較薄隔板部3那樣，也可以為壓電/電致伸縮膜5沒有跨過較厚部2的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種壓電/電致伸縮膜元件，其由在周邊部上擁有較厚部的較薄隔板部的陶瓷形成的基板上，順次疊置下部電極及輔助電極、壓電/電致伸縮膜、和上部電極形成，其特征在于，上述上部電極的長度為較薄隔板部的長度的30％以上(含30％)70％以下(含70％)。
2.權(quán)利要求1所述壓電/電致伸縮膜元件，其特征在于，上述上部電極的寬度是較薄隔板部(3)的寬度的70％或以上。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供靈敏度高的傳感器元件。本發(fā)明提供的壓電/電致伸縮膜元件是由在周邊部上擁有較厚部的較薄隔板部的陶瓷形成的基板上，順次疊置下部電極及輔助電極、壓電/電致伸縮膜、和上部電極形成。其時，上部電極的長度為較薄隔板部的長度的30％以上(含 30％)70％以下(含70％)。
文檔編號H01L41/09GK1681141SQ20051005997
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月5日
發(fā)明者山口浩文, 根萩隆智, 吉岡邦彥 申請人:日本礙子株式會社