(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃のエネルギーを電気エネルギーに変換し、出力する圧電素子と、
前記圧電素子に接続されており、一方主面及び前記一方主面に対向する他方主面を有する強誘電体と、前記強誘電体の一方主面側に形成された第１の電極と、前記強誘電体の他方主面側に形成された第２の電極とを有する強誘電体メモリとを備え、
前記強誘電体メモリが、強誘電体の電子分極に由来する少なくとも第１及び第２の状態のいずれかを記録し得るものであり、強誘電体メモリの静電容量−電圧特性がヒステリシスを有し、静電容量−電圧特性のヒステリシス曲線において、電圧上昇時の曲線と、電圧降下時の曲線との間で容量の差が最も大きい電圧値を閾値電圧Ｖｔｈとしたとき、Ｖｔｈ＞０またはＶｔｈ＜０である、衝撃検知・記録装置。
【請求項２】
前記強誘電体メモリを第１の状態から第２の状態に反転させるのに必要な反転電圧をＶ０、第２の状態から第１の状態に反転させるための反転電圧をＶ１としたときに、Ｖ０＜０＜Ｖ１またはＶ０＞０＞Ｖ１である、請求項１に記載の衝撃検知・記録装置。
【請求項３】
前記強誘電体メモリの閾値電圧Ｖｔｈの絶対値が、０．５Ｖ〜３Ｖの範囲にある請求項１または２に記載の衝撃検知・記録装置。
【請求項４】
前記強誘電体メモリが、前記強誘電体と第２の電極との間に積層された半導体層をさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の衝撃検知・記録装置。
【請求項５】
前記半導体層と前記強誘電体との間にバッファ層が設けられている、請求項４に記載の衝撃検知・記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの衝撃を検知し、記録することを可能とする衝撃検知・記録装置に関し、より詳細には、圧電素子と強誘電体メモリとを備えた衝撃検知・記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子機器や車両などにおいて、衝撃を検知し、記録するために様々なセンサが提案されている。下記の特許文献１には、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する電荷発生用圧電体と、発生した電荷により分極反転を繰り返す強誘電体メモリとを備える圧電振動エネルギーセンサが開示されている。衝撃等の振動が加わると、圧電体が電荷を発生する。この電荷により強誘電体メモリが分極反転する。多数の振動が繰り返し与えられた場合、分極反転が繰り返され、疲労により残留分極が低下する。残留分極の低下度合いにより、加えられた振動の回数を求めることができる。上記圧電体と強誘電体メモリとを備えるものであるため、無電源で加えられた振動の回数を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６１３４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の圧電振動エネルギーセンサでは、無電源で、加えられた振動の回数を測定することができる。分極反転による疲労、すなわち残留分極の低下により振動の回数を長期間にわたり測定している。従って、特許文献１では、大きな衝撃が１回加わったとしても、該１回の衝撃を検知し、記録することはできない。【０００５】
また、残留分極を利用しているため、非常に大きな振動エネルギーを電気的エネルギーに変換する大きな圧電素子が必要である。従って、小型化が困難である。【０００６】
本発明の目的は、電源が不要な衝撃検知・記録装置であって、１回の衝撃を検出し、該１回の衝撃を記録し、保持し得る衝撃検知・記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る衝撃検知・記録装置は、衝撃のエネルギーを電気エネルギーに変換し、出力する圧電素子と、前記圧電素子に接続されており、一方主面及び前記一方主面に対向する他方主面を有する強誘電体と、前記強誘電体の一方主面側に形成された第１の電極と、前記強誘電体の他方主面側に形成された第２の電極とを有する強誘電体メモリとを備える。本発明では、前記強誘電体メモリが、強誘電体の電子分極に由来する少なくとも第１及び第２の状態のいずれかを記録し得るものである。強誘電体メモリの静電容量−電圧特性はヒステリシスを有する。この静電容量−電圧特性のヒステリシス曲線において、電圧上昇時の曲線と、電圧降下時の曲線との間で容量の差が最も大きい電圧値を閾値電圧Ｖｔｈとしたとき、Ｖｔｈ＞０またはＶｔｈ＜０とされている。【０００８】
第１，第２の電極がそれぞれ強誘電体の一方主面側、他方主面側に形成されているとは、各電極が強誘電体上に直接形成されていることに限定されるものではなく、実施形態のように半導体やバッファ層を介していてもよい。【０００９】
本発明に係る衝撃検知・記録装置のある特定の局面では、前記強誘電体メモリを第１の状態から第２の状態に反転させるのに必要な反転電圧をＶ０、第２の状態から第１の状態に反転させるための反転電圧をＶ１としたときに、Ｖ０＜０＜Ｖ１またはＶ０＞０＞Ｖ１である。この場合には、時間とともに分極状態が反転して記録され、情報が消えるおそれがない。【００１０】
本発明に係る衝撃検知・記録装置の他の特定の局面では、前記強誘電体メモリの閾値電圧Ｖｔｈの絶対値が、０．５Ｖ〜３Ｖの範囲にある。この範囲内であれば、閾値電圧を０Ｖから容易にシフトさせて衝撃を検知・記録することができるとともに、圧電素子で発生する電荷により衝撃をより確実に記録することができる。【００１１】
本発明に係る衝撃検知・記録装置にさらに他の特定の局面では、前記強誘電体メモリが、前記強誘電体とを第２の電極との間に積層された半導体層をさらに有する。この場合には、強誘電体と半導体層との接合によりダイオード構造が形成される。従って、上記ダイオード構造を構成している材料の選択により、閾値電圧Ｖｔｈを０から容易にシフトさせることができる。【００１２】
本発明に係る衝撃検知・記録装置のさらに別の特定の局面では、前記半導体層と前記強誘電体との間にバッファ層が設けられている。この場合には、バッファ層の材料及び厚み等を選択することにより閾値電圧Ｖｔｈの値を容易に制御することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る衝撃検知・記録装置によれば、強誘電体メモリにおける上記閾値電圧Ｖｔｈが０Ｖからシフトしているため、第１の状態から第２の状態に反転させるのに必要な反転電圧Ｖ０と、第２の状態から第１の状態に反転させるのに必要な反転電圧Ｖ１の絶対値が異なることとなる。そのため、Ｖ０＞Ｖ１またはＶ１＞Ｖ０である場合に、初期状態を第１の状態または第２の状態とし、衝撃が加わったときに第２の状態または第１の状態にスイッチングさせることにより、１回の衝撃を確実に記録し保持することができる。【００１４】
よって、本発明によれば、無電源で１回の衝撃を検出し、かつ確実に強誘電体メモリにおいて記録し保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃検知・記録装置に用いられる強誘電体メモリを示す正面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃検知・記録装置の回路図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態で用いられる強誘電体メモリの静電容量−電圧特性を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態で作製した強誘電体枠のＸ線回折プロファィルを示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態の衝撃検知・記録装置で用いられる強誘電体メモリのメモリ動作を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃検知・記録装置における閾値電圧Ｖｔｈ及び第１，第２の反転電圧を説明するための図である。
【図７】図７は、閾値電圧Ｖが０Ｖに位置している比較例の強誘電体メモリの静電容量−電圧特性を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施形態の衝撃検知・記録装置を評価するための回路構成を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態の衝撃検知・記録装置の降下を測定するための衝撃生成治具を説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施形態の衝撃検知・記録装置の実験例における衝撃記録結果を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の比較例の衝撃検知・記録装置の実験例における衝撃記録結果を示す図である。
【図１２】図１２は、比較例としての試料番号２の強誘電体メモリを用いた場合の衝撃記録特性を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例としての試料番号２の強誘電体メモリを用いた場合の衝撃記録特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１７】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る衝撃検知・記録装置の概略構成図である。衝撃検知・記録装置１は、圧電素子２と強誘電体メモリ３とを備える。圧電素子２は、加えられた衝撃のエネルギーを電気エネルギーに変換し、出力する。このような圧電素子としては、従来より周知の衝撃センサとして用いられている様々な圧電素子が挙げられる。例えば、バイモルフ型圧電素子や、ユニモルフ型圧電素子等を挙げることができる。
【００１８】
本実施形態の衝撃検知・記録装置１は、圧電素子２に並列に接続されている強誘電体メモリ３を備える。強誘電体メモリ３は、圧電素子２から与えられる電気エネルギーに基づき、１回の衝撃を記録し、保持する。この強誘電体メモリ３の構造を図１を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態で用いられている強誘電体メモリ３の正面図である。強誘電体メモリ３は、強誘電体層として強誘電体薄膜４を有する。強誘電体薄膜４を構成する強誘電体材料は特に限定されない。例えばＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢｉＦｅＯ３などを挙げることができる。本実施形態では、強誘電体薄膜４は、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９からなる。
【００２０】
強誘電体薄膜４の一方主面上に第１の電極５が形成されている。また、強誘電体薄膜４の他方主面は、半導体基板６の上面にバッファ層７を介して積層されている。半導体基板６は強誘電体薄膜４とダイオード接合を果し得る適宜の半導体からなる。本実施形態では、半導体基板６は、Ｓｉからなる。
【００２１】
バッファ層７は、強誘電体薄膜４と半導体基板６との間の相互拡散による劣化を抑制するために設けられている。バッファ層７を構成する材料は、特に限定されず、ＨｆＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＬａＡｌＯ３またはＬａ２Ｏ３などがあげられる。本実施形態では、バッファ層７は、ＨｆＯｘ（ただしｘは約２）からなる。バッファ層７を構成する材料については、強誘電体薄膜４を構成する強誘電体材料、半導体基板６を構成する半導体材料等に応じて適宜選択すればよい。また、バッファ層７の材料を選択することにより、後述の閾値電圧を制御することも可能である。
【００２２】
複数の材料からなるバッファ層を積層したり、複数の材料の固溶体を使用したりして、それによって閾値電圧Ｖｔｈを適切な値としてもよい。
【００２３】
半導体基板６の下面すなわち強誘電体薄膜４の他方主面側には、第２の電極８が形成されている。従って、強誘電体薄膜４は、第１の電極５と第２の電極８とに挟まれている。
【００２４】
本実施形態では、第１の電極５及び第２の電極８は、強誘電体薄膜４を介して対向する位置に形成されているが、強誘電体薄膜４の一方主面と他方主面との間に電圧を印加できるのであれば、互いに対向させる位置に形成する必要は必ずしもない。
【００２５】
第１の電極５と第２の電極８とは適宜の金属材料により形成することができる。本実施形態では、第１の電極５及び第２の電極８は、Ｐｔからなる。もっとも、Ｐｔ以外に、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕなどの適宜の金属もしくは合金、またはＳｒＲｕＯ３、ＰｔＯｘ（ただしｘは１〜３の整数）、ＩｒＯ２、ＰｄＯなどの酸化物を用いることができる。
【００２６】
なお、第１，第２の電極５，８の材料を調整することによって、後述の閾値電圧Ｖｔｈを調整することも可能である。また、本実施形態では、第１の電極５と第２の電極８とは強誘電体薄膜４、バッファ層７及び半導体基板６を介して対向するように配置されているが、第１，第２の電極５，８の強誘電体薄膜４介して対向する形態はこれに限定されるものではない。
【００２７】
もっとも、本実施形態の衝撃検知・記録装置１では、強誘電体メモリ３が圧電素子２から与えられる電気エネルギーに基づき、衝撃を記録し、保持する必要がある。従って、以下に述べるように、閾値電圧Ｖｔｈが０Ｖからシフトされている。すなわちＶｔｈ＞０またはＶｔｈ＜０であり、それによって１回の衝撃を記録し、保持することができる。よって、上記強誘電体薄膜４は、バッファ層７を介して半導体基板６に接合されていたり、強誘電体薄膜４が直接半導体基板６に積層されたりして、上記ダイオード接合を有していることが望ましい。それによって、閾値電圧Ｖｔｈを０Ｖから容易にシフトさせることができる。
【００２８】
次に、上記強誘電体メモリ３の動作を図３、図５及び図６を参照して説明する。
【００２９】
図３は、上記強誘電体メモリ３の静電容量−電圧特性を示す図である。図示のように、静電容量−電圧特性曲線はヒステリシスを有する。すなわち電圧上昇時の曲線と、電圧降下時の曲線とが一致しておらず、ずれている。
【００３０】
本実施形態では、図６に示すように、閾値電圧Ｖｔｈが約１．２ＶでありＶｔｈ＞０Ｖとされている。ここで閾値電圧Ｖｔｈとは、静電容量−電圧特性のヒステリシスにおいて、電圧上昇時の曲線と、電圧降下時の曲線との間で、容量の差が最も大きくなる電圧値をいうものとする。
【００３１】
また、電圧上昇時の曲線と、電圧降下時の曲線との間で同じ静電容量値で印加電圧の差がもっとも大きい部分での該印加電圧をメモリウィンドとする。図６では、このメモリウィンドの大きさは０．６Ｖである。
【００３２】
図３及び図６に示したように、上記強誘電体メモリ３の静電容量−電圧特性において、印加電圧が−３Ｖ〜−４Ｖ付近で静電容量が１５０ｐＦ程度と高くなり、印加電圧が＋２Ｖ〜４Ｖ程度となった場合、静電容量は１４ｐＦ程度と低くなっていることがわかる。この静電容量−電圧特性を利用して、第１の状態すなわち「０」の状態と、第２の状態「１」の状態とを区別することができる。「０」の状態は、強誘電体薄膜４の電子分極が第１の電極側に向いている場合であり、「１」の状態は、電子分極方向が半導体基板６側に向いている状態に対応している。なお、使用する半導体基板の極性によって、上記向きは変化しないが、静電容量−電圧特性の極性は逆転する。強誘電体メモリ３では、電圧を印加することにより分極反転を引き起こさせることができる。すなわち、電圧を印加することにより第１の状態である「０」の状態または第２の状態すなわち「１」の状態や、強誘電体の電子分極が完全に「０」、「１」の状態にならず、大部分が「０」、「１」の状態になっている中間の状態とすることができる。第１の状態すなわち「０」の状態にするための電圧を反転電圧Ｖ０とし、「１」の状態にスイッチングさせるための電圧を反転電圧Ｖ１とする。強誘電体メモリでは、一般に、前述したヒステリシスを有する場合、Ｖ０とＶ１とは、閾値電圧Ｖｔｈに対して対称な位置に存在する。
【００３３】
他方、本実施形態の強誘電体メモリ３では、閾値電圧Ｖｔｈが０Ｖではなく、１．２Ｖにシフトしている。従って、Ｖ０が−１Ｖであり、Ｖ１は＋４Ｖ程度とされている。すなわち、反転電圧Ｖ０と反転電圧Ｖ１の絶対値が異なっている。
【００３４】
よって、本実施形態の強誘電体メモリ３では、反転電圧Ｖ０及び反転電圧Ｖ１のうちその絶対値が高い「１」の状態を初期状態とするようにリセットしておく。「１」の状態のまま放置されても、メモリー特性を有するため、その状態は維持される。
【００３５】
前述した圧電素子２に１回の衝撃が加わった場合には、衝撃によりエネルギーが電気エネルギーに変換される。そして、圧電素子２において電荷が発生し、該電荷に基づく出力が強誘電体メモリ３に印加される。この整流されていない電気エネルギーが、ダイオード接合構造を有する強誘電体メモリ３に入力されると、すなわち反転電圧Ｖ０または反転電圧Ｖ０に近い電圧が印加されると、強誘電体メモリ３が「１」の状態から「０」の状態または両状態の中間の状態に移行されることになる。この変化を、ダイオードの容量値、もしくは、ソース・ドレイン電極を追加してソース・ドレイン電流を検出することにより、上記衝撃の記録を確認することができる。
【００３６】
加えて、本実施形態の強誘電体メモリ３では、２回目以降の衝撃が加わったとしても、１回目の衝撃の記録は確実に保持される。すなわち、前述したように静電容量−電圧特性のヒステリシスにおいて、閾値電圧Ｖｔｈが０から１．２Ｖにシフトされている。従って、「０」の状態と、「１」の状態の安定性が異なっている。より具体的には、「０」の状態にするには、絶対値の小さい電圧を印加すればよく、「１」の状態にするには、「０」にするよりも大きな電圧が必要である。言い換えれば、「１」の状態に戻すには、より大きな電圧が必要となる。
【００３７】
他方、圧電素子で圧電効果により取り出し得る電圧は、この種の衝撃センサに用いられる圧電素子では、通常、約３Ｖ以下である。従って、「１」の状態にリセットされた後に、前述したように大きな衝撃が１回加わって、「０」の状態または両状態の中間状態にリセットされたとしても、圧電素子２からの電気エネルギーでは、「１」の状態にリセットできない大きな電圧が必要となる。よって、状態の大きな１回の衝撃が強誘電体メモリ３で記録された後に、複数の衝撃が複数回圧電素子２に加わったとしても、上述した１回の衝撃による記録が消去されない。
【００３８】
よって、本実施形態によれば、無電源で１回の衝撃を検知し、しかもその衝撃を記録し、保持することができる。また、多数の衝撃が後で加わったとしてもリセットされず、外部からリセット電圧を印加することなく、強誘電体メモリ３はリセットされない。よって、本実施形態によれば、例えば本実施形態の衝撃検知・記録装置が搭載されている電子機器などに故障を引き起こすような大きな衝撃か加わったことを記録し、保持させることができる。それによって、通常で考えられないような使用や事故による大きな衝撃が加わったことを確実に検出し、記録することができる。
【００３９】
なお、一般的な強誘電体メモリでは、「０」または「１」の状態、すなわち２値を利用しているのに対し、本実施形態では、「０」の状態と「１」の状態との中間の状態も利用することができる。
【００４０】
また、「０」の状態にするのに必要な反転電圧Ｖ０が−１Ｖ、「１」の状態とするための反転電圧Ｖ１の大きさが＋４Ｖ程度である旨を示したが、これは、上述したように閾値電圧Ｖｔｈと、対称に反転電圧Ｖ０及び反転電圧Ｖ１が表われることから、図５の静電容量−電圧極性から読み取り得る値である。−１Ｖと４Ｖとする必要は必ずしもない。
【００４１】
本実施形態では、Ｖｔｈが１．２Ｖ程度と正の電圧とされていたが、Ｖｔｈは負の電圧すなわちＶｔｈ＜０であってもよい。その場合においても、反転電圧Ｖ０と反転電圧Ｖ１の絶対値が異なることになるため、上記実施形態と同様に、大きな衝撃１回加わったことを検出し、記録することができる。
【００４２】
上記のように、本実施形態の衝撃検知・記録装置の特徴は、強誘電体メモリ３の閾値電圧Ｖｔｈを０Ｖからシフトさせたことにある。このように閾値電圧Ｖｔｈを０Ｖからシフトさせるには、前述したように、強誘電体メモリ３を構成する各材料の種類や各材料層の厚み等を選択することにより行い得る。具体的実施例を以下に挙げることにより、これをより詳細に説明する。
【００４３】
以下の実験例では、代表的な強誘電体材料として知られているＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）からなる強誘電体薄膜４を用い強誘電体メモリ３を作製した。炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）をＳｒＢｉ２．２Ｔａ２Ｏ９の組成となるように秤量した。秤量されたこれらの材料をＰＳＺボールを用い湿式粉砕し、混合した。なお、Ｂｉ２Ｏ３を過剰に添加したのは、Ｂｉ２Ｏ３が成膜中に気化するおそれがあるからである。
【００４４】
上記のように据えられた混合粉末を乾燥し、９００℃の温度で大気中で２時間仮焼した。仮焼された材料をＰＳＺボールを用い粉砕し、仮焼粉末とした。該仮焼粉末を水及びポリビニルアルコールと混合し、乾燥し、プレス原料を得た。
【００４５】
プレス装置により、上記プレス原料を直径２０ｍｍ及び厚み５ｍｍの円盤に成形した。この成形された円盤状成形体を大気中かつ４００℃で加熱し、脱バインダー処理した。しかる後、密閉された匣内で１１５０℃で４時間大気中にて焼成し、焼結体ターゲットを得た。
【００４６】
半導体基板６として、ｐ型のＳｉ半導体基板を用意した。この半導体基板６上に、ＨｆＯｘをスパッタリングにより成膜し、バッファ層７を形成した。バッファ層７の形成に際しては、Ｒｆ電力＝１００Ｗ、基板温度＝４００℃、ガス流量：２５ｓｃｃｍ（Ａｌ：Ｏ２＝２４：１）及び圧力０．２５Ｐａの条件で成膜した。しかる後、１×１０−４Ｐａの真空中で８００℃に昇温し、しかる後１０分間アニールし、４００℃まで冷却した。４００℃で３０分間、０．２５Ｐａの酸素雰囲気中でアニールを行い、バッファ層７を形成した。
【００４７】
このバッファ層７が形成された半導体基板６のバッファ層７上に、パルスレーザー堆積法により上記焼結体ターゲットを用い強誘電体薄膜４を成膜した。レーザーとしてＫｒＦエキシマレーザーを用いた。基板温度は７５０℃とし、酸素分圧は３３Ｐａとし、レーザーエネルギー１２０ｍＡとして、強誘電体薄膜４の成膜を行った。
【００４８】
成膜された強誘電体薄膜４を粉砕して得られた粉末をＸ線回折測定により評価した。結果を図４に示す。
【００４９】
図４から明らかなように、Ｘ線回折の２θから、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９膜が成膜されていることがわかる。
【００５０】
成膜時間を変えて上記強誘電体薄膜４を形成した後、Ｐｔからなる第1の電極及び第２の電極を２０ｎｍの厚みとなるように成膜した。
【００５１】
上記強誘電体薄膜４の膜厚を、１３０、２５０、４００または６００ｍｍとして下記の表１に示す強誘電体メモリ素子１１〜１４を得た。
【００５２】
【表１】
0005545417.tif 000002
【００５３】
代表例として上記強誘電体メモリ素子１２の静電容量−電圧特性を、ＬＣＲメーター（ヒューレットパッカード社製、品番：ＨＰ４２８４）を用い測定した。測定に際しては、Ｗプローブを利用したプローバで、第１の電極と第２の電極との間に、周波数１ＭＨｚ、５０ｍＶの振幅で−３Ｖ→＋３Ｖ→−３Ｖまで０．１Ｖステップで電圧を印加した。この場合の静電容量を測定し、静電容量の電圧依存性を評価した。なお、第２の電極をグラウンド電位に接続して上記測定を行った。
【００５４】
上記のようにして得られた静電容量−電圧特性が前述した図３、図５及び図６に示した特性である。
【００５５】
前述したように、ヒステリシスが現れており、正の電圧を印加することにより容量が急激に低下している。
【００５６】
比較のために、図７に、閾値電圧Ｖｔｈがシフトしていない強誘電体メモリの静電容量−電圧曲線を示す。図７では、ヒステリシスは現れているが、閾値電圧Ｖｔｈは０Ｖである。
【００５７】
前述したように、本実施形態の衝撃検知・記録装置は、強誘電体メモリ３におけるＣＶ特性上のヒステリシスを利用したものである。従って、上記ヒステリシスが現れない強誘電体メモリでは、本発明に用いることができない。例えば、測定時に−１Ｖ→１Ｖ→−１Ｖのように、非常に小さな電圧範囲で電圧をスイープした場合には、ヒステリシスは現れない。これは、強誘電体の電子分極が反転しないことによる。従って、強誘電体メモリ３を用いて上記のように衝撃の検知及び記録を行うには、上記ヒステリシスが現れるように、強誘電体薄膜に抗電界以上の電圧を印加することが必要である。
【００５８】
なお、通常の強誘電体メモリでは、閾値電圧Ｖｔｈは０Ｖに位置している。これに対して、本実施形態で用いられている強誘電体メモリは、上記ダイオード接合を有し、ＭＦＩＳ構造を有するため、印加された電圧はすべて強誘電体薄膜４に印加されない。従って、上記ヒステリシスが現れ、かつメモリウィンドがもっとも大きくなるところにおいて、メモリウィンド０．３Ｖ以上になる電圧を上記反転電圧Ｖ０及びＶ１と定義した。
【００５９】
なお、上記のように、強誘電体メモリ３の閾値電圧Ｖｔｈは、材料選択によりそのシフト量を調節することができる。このような強誘電体メモリにおける閾値電圧の変化については、例えば、（Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ４２（２００３）ｐｐ．２０５５−２０５８：Ａ  Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ｍｅｍｏｒｙ  Ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｏｎｅ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｙｐｅ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｅｍｏｒｙ  ｂｙ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）においても記載されているように、従来より公知である。すなわち、従来より強誘電体薄膜を用いたＭＦＩＳ構造では、熱処理条件を変えることにより、閾値電圧Ｖｔｈが変化することが知られていた。従って、強誘電体メモリ３における閾値電圧Ｖｔｈをシフトさせる条件等については従来より公知の技術に従って知ることができる。もっとも、このような閾値電圧Ｖｔｈをシフトさせることを積極的に利用した技術については上記文献には示されていない。
【００６０】
次に、上記実施形態の効果を実際の衝撃を加えて評価した。すなわち、図８に示すように、強誘電体メモリ３に、スイッチ２１を介してＬＣＲメーター２２及び圧電素子２を接続した。また、図９に示す衝撃生成治具３１を用意した。衝撃生成治具３１では、鉄板３２上にポスト３３が立設されている。ポスト３３に沿って上下方向にスライドし得るガイド３４が設けられている。ガイド３４に圧電素子２を固定し、ガイド３４を高さ２５ｃｍ、８０ｃｍまたは１２０ｃｍの位置から鉄板３２上に落下させた。この落下による衝撃を、上記圧電素子２及び強誘電体メモリ３を含む図８の回路により検出し、記録した。
【００６１】
まず、ＬＣＲメーター２２に強誘電体メモリ３を接続し、リセット状態となるよう電圧を印加した。そのときの静電容量を読みとった。次に、スイッチ２１により強誘電体メモリ３からＬＣＲメーター２２を切り離し、圧電素子２に接続した。この圧電素子２を強誘電体メモリ３とを配線等により接続した状態でガイド３４に固定されている圧電素子２に前述のような落下による衝撃を加えた。そして衝撃による電気エネルギーを、強誘電体メモリ３に書き込んだ。しかる後、スイッチ２１を切り換え、強誘電体メモリ３をＬＣＲメーター２２に再度接続し、静電容量を読みとった。それによって、衝撃を記録することができるか否かを評価した。
【００６２】
上記圧電素子２としては、加速度検出感度が０．３５ｐＣ／Ｇ、静電容量７４０ｐＦの第１の圧電素子と、加速度検出感度が０．８４ｐＣ／Ｇ、静電容量が７７０ｐＦの第２の圧電素子とを用意した。加速度検出感度が大きいほど、同じ大きさの衝撃でより大きな電荷を発生させる。結果を下記の表２に示す。
【００６３】
【表２】
0005545417.tif 000003
【００６４】
表２の試料番号１，２は比較例に相当し、いずれかの高さから落下させた場合においても、衝撃を記録することができなかった。これに対して、試料番号３〜１０では、少なくともいずれかの高さ位置から落下した場合に衝撃を検知し、記録することができた。
【００６５】
例えば試料番号７では、２５ｃｍの高さから落下した場合に衝撃を記録することはできなかった。同様に試料番号９では、２５ｃｍ及び８０ｃｍの高さから落下させた場合には衝撃を記録することができなかった。しかしながら、試料番号７及び９においても８０ｃｍの高さや、１２０ｃｍの高さから落下させた場合には衝撃を記録することができる。従って、記録したい衝撃の大きさに応じて、閾値電圧及び反転電圧を調整すれば、本発明に従って１回の衝撃を検出し、記録し得ることがわかる。
【００６６】
なお、図１０及び図１１は、上記試料番号５を８０ｃｍから落下させた場合の結果を示す。３〜４Ｖの電圧を５秒印加し、リセット処理した段階で、強誘電体メモリの静電容量は１１７ｐＦであり、この状態が「１」の状態に対応する。次に、図１０の矢印Ａ１で示す部分において上記落下試験に従って８０ｃｍの高さから落下させた。その結果、ＬＣＲメーター２２により図示のように１３８ｐＦと大きくなった。なお、上記衝撃を記録した後、再度衝撃を加えても、静電容量は変化しなかった。他方、図１１に示すように−１Ｖの電圧を５秒印加した後、上記強誘電体メモリの静電容量を測定すると１３８．８ｐＦであった。これは、「０」の状態である。再度、上記スイッチ２１により接続を切り換え、矢印Ｂ１及び矢印Ｂ２のタイミングで圧電素子２を８０ｃｍの高さから落下させ、しかる後スイッチ２１を切り換え、ＬＣＲメーター２２により強誘電体メモリの静電容量を読み取った。その結果、図１１に示すように、静電容量は１３９．３ｐＦとほとんど変化せず、記録することができなかった。
【００６７】
上記のとおり、試料番号５の強誘電体メモリと上記圧電素子との組み合わせでは、「１」の状態にリセットしておけば、圧電素子からの電気的エネルギーにより衝撃を記録し、保持し得ることがわかる。また、上記のように１回の衝撃を検知し、記録することができる。加えて非常に高感度であるため、１回の衝撃を記録し得るだけでなく、３×３×０．５ｍｍタイプの小さな圧電素子をセンサとして用いることができる。よって、小型携帯端末などに搭載可能な衝撃検知・記録装置を構成し得ることがわかる。
【００６８】
なお、比較のために試料番号２の強誘電体メモリを用い、上記と同様に圧電素子８０ｃｍから落下させたときの結果を図１２及び図１３に示す。
【００６９】
図１２は、試料番号２の強誘電体メモリを用い、「１」の状態に矢印Ｘ１でスイッチングさせた後、矢印Ｘ２のタイミングで衝撃を加えた場合の結果を示す。図１３では、矢印Ｙ１のタイミングで「０」の状態にスイッチングにした後、矢印Ｙ２のタイミングで衝撃を加えた場合の結果を示す。何れの場合においても衝撃を検知し、かつ記録することができなかった。これは、試料番号２では強誘電体メモリ３を、「０」または「１」の状態にスイッチングさせるにはいずれの場合にも±２Ｖ程度の大きな電圧が必要であることによる。従って、携帯電話機などに実装可能なような小さな圧電素子の出力では、比較例２の強誘電体メモリでは電子分極を反転させることができない。よって、大きな圧電素子を用いなければならないことがわかる。
【符号の説明】
【００７０】
１…衝撃検知・記録装置
２…圧電素子
３…強誘電体メモリ
４…強誘電体薄膜
５…第１の電極
６…半導体基板
７…バッファ層
８…第２の電極
２１…スイッチ
２２…ＬＣＲメーター
３１…衝撃生成器具
３２…鉄板
３３…ポスト
３４…ガイド
【図１】
0005545417.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005545417.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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