(57)【要約】      （修正有）【課題】低コストで時間分解能に優れる流速センサを提供する。【解決手段】基板１１上に下部電極２１、非鉛材料からなる圧電薄膜２２がこの順に積層され、圧電薄膜上の所定位置に上部電極２３が形成されてなり、下部電極２１と上部電極２３との間に交流電圧が印加されることで振動する圧電薄膜素子２０と、圧電薄膜素子の振動面から突出するように形成され、流体と干渉することにより振動面に応力を加える柱状構造体１１ｂと、圧電薄膜２２上に形成され、振動面が応力を受けることで圧電薄膜に発生する圧電効果を検知する検知手段が接続される検知電極３０と、を備える。【選択図】図１
2014071106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部電極、非鉛材料からなる圧電薄膜がこの順に積層され、前記圧電薄膜上の所定位置に上部電極が形成されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に交流電圧が印加されることで振動する圧電薄膜素子と、
前記圧電薄膜素子の振動面から突出するように形成され、流体と干渉することにより前記振動面に応力を加える柱状構造体と、
前記圧電薄膜上に形成され、前記振動面が応力を受けることで前記圧電薄膜に発生する圧電効果を検知する検知手段が接続される検知電極と、を備える
ことを特徴とする流速センサ。
【請求項２】
前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の流速センサ。
【請求項３】
前記交流電圧の所定の周波数において、前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の流速センサ。
【請求項４】
前記圧電薄膜上には複数の前記検知電極が形成され、
前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記複数の検知電極を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、前記複数の電圧の大小関係と前記複数の検知電極の位置関係とから、前記柱状構造体に干渉する流体の流れる向きを検出するよう構成される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項５】
前記検知電極は、前記上部電極を通る対称軸に対称となるよう、前記上部電極から離間して２つ以上形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の流速センサ。
【請求項６】
前記検知電極は、前記上部電極を対称中心として対称となるように、前記上部電極から離間して２対以上形成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の流速センサ。
【請求項７】
前記柱状構造体は長手方向を回転軸として一周させたときに２回以上の回転対称性を有する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項８】
前記圧電薄膜素子の振動面には、中央部がくり抜かれた枠状の前記基板にて周囲を支持されたダイアフラムが形成されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項９】
前記柱状構造体の流体に対する抵抗係数は０．６３以上２．０１以下である
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項１０】
前記圧電薄膜は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項１１】
前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造は、擬立方晶となっている
ことを特徴とする請求項１０に記載の流速センサ。
【請求項１２】
前記圧電薄膜の主表面が、（００１）面に優先配向している
ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の流速センサ。
【請求項１３】
前記圧電薄膜は、組成式が（Ｋ１−ＸＮａＸ）ＮｂＯ３（但し、０．４００≦Ｘ≦０．７３０）で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の流速センサ。
【請求項１４】
前記下部電極は、主表面が（１１１）面に優先配向したＰｔ膜からなる
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の流速センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速センサに関し、特に圧電薄膜素子を用いた流速センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー対策として、例えば各種コンピュータやデータ通信等のデータセンタ内の空調を最適化するため、センタ内の室温や気流の監視が求められている。また、ヒートアイランド現象の対策として、気温や風速などの各種環境モニタリングの重要性も指摘されている。このような事例においては安価なセンサへの要求がある。この点、温度の測定に関しては、低コストの半導体温度センサ等が知られている。
【０００３】
一方、風速等の測定に関しては、オリフィスを用いた差圧式センサや、発熱源を用いた熱移送（熱輸送）を利用する熱式センサ、機械的な変位を利用する機械式センサ等の高コストの流速センサが主流であった。最近では、これらに代えて、集積化が容易な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用い、熱式や機械式等の低コストの流速センサが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２１６３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような熱式の流速センサは、流速に対する分解能は極めて高いが、時間分解能に劣る。また、空気等の流体の流れる向き（方位）を測定可能な多軸検知式とするのが困難であった。流速に対する分解能がある程度得られ、時間分解能に優れる機械式の流速センサについても、低コストで多軸検知式の流速センサは知られていない。
【０００６】
本発明の目的は、低コストで時間分解能に優れる流速センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、
基板上に下部電極、非鉛材料からなる圧電薄膜がこの順に積層され、前記圧電薄膜上の所定位置に上部電極が形成されてなり、前記下部電極と前記上部電極との間に交流電圧が印加されることで振動する圧電薄膜素子と、
前記圧電薄膜素子の振動面から突出するように形成され、流体と干渉することにより前記振動面に応力を加える柱状構造体と、
前記圧電薄膜上に形成され、前記振動面が応力を受けることで前記圧電薄膜に発生する圧電効果を検知する検知手段が接続される検知電極と、を備える
流速センサが提供される。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、
前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅が所定の大きさとなる振動周波数と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
第１の態様に記載の流速センサが提供される。
【０００９】
本発明の第３の態様によれば、
前記交流電圧の所定の周波数において、前記柱状構造体と流体とが干渉していないときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記検知電極を介して検知される電圧の振幅と、の差分を測定することで、前記柱状構造体に干渉する流体の流速を検出するよう構成される
第１の態様に記載の流速センサが提供される。
【００１０】
本発明の第４の態様によれば、
前記圧電薄膜上には複数の前記検知電極が形成され、
前記柱状構造体と流体とが干渉しているときに前記複数の検知電極を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、前記複数の電圧の大小関係と前記複数の検知電極の位置関係とから、前記柱状構造体に干渉する流体の流れる向きを検出するよう構成される
第１〜第３の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００１１】
本発明の第５の態様によれば、
前記検知電極は、前記上部電極を通る対称軸に対称となるよう、前記上部電極から離間して２つ以上形成されている
第４の態様に記載の流速センサが提供される。
【００１２】
本発明の第６の態様によれば、
前記検知電極は、前記上部電極を対称中心として対称となるように、前記上部電極から離間して２対以上形成されている
第４の態様に記載の流速センサが提供される。
【００１３】
本発明の第７の態様によれば、
前記柱状構造体は長手方向を回転軸として一周させたときに２回以上の回転対称性を有する
第１〜第６の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００１４】
本発明の第８の態様によれば、
前記圧電薄膜素子の振動面には、中央部がくり抜かれた枠状の前記基板にて周囲を支持されたダイアフラムが形成されている
第１〜第７の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００１５】
本発明の第９の態様によれば、
前記柱状構造体の流体に対する抵抗係数は０．６３以上２．０１以下である
第１〜第８の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００１６】
本発明の第１０の態様によれば、
前記圧電薄膜は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する
第１〜第９の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００１７】
本発明の第１１の態様によれば、
前記アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造は、擬立方晶となっている
第１０の態様に記載の流速センサが提供される。
【００１８】
本発明の第１２の態様によれば、
前記圧電薄膜の主表面が、（００１）面に優先配向している
第１０又は第１１の態様に記載の流速センサが提供される。
【００１９】
本発明の第１３の態様によれば、
前記圧電薄膜は、組成式が（Ｋ１−ＸＮａＸ）ＮｂＯ３（但し、０．４００≦Ｘ≦０．７３０）で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる
第１〜第１２の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【００２０】
本発明の第１４の態様によれば、
前記下部電極は、主表面が（１１１）面に優先配向したＰｔ膜からなる
第１〜第１３の態様のいずれかに記載の流速センサが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、低コストで時間分解能に優れる流速センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る流速センサの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る流速センサがプリント基板に実装されてなる流速センサパッケージの動作説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態の流速センサパッケージの断面図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態の流速センサパッケージの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｃ）は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る流速センサの製造方法を断面図で示す工程図（その１）である。
【図５】本発明の一実施形態に係る流速センサの製造方法を断面図で示す工程図（その２）である。
【図６】本発明の一実施形態の変形例に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｃ）は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜本発明の一実施形態＞
（１）流速センサの構造
本発明の一実施形態に係る流速センサは、例えば圧電薄膜素子を用いた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）として構成される機械式の流速センサである。本実施形態に係る流速センサについて、図１を用いて説明する。図１の（ａ）は、本実施形態に係る流速センサ１の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
図１に示すように、流速センサ１は、例えば矩形状に形成されたシリコン（Ｓｉ）基板等の基板１１上に、ダイアフラム１０ｄを介して、下部電極２１、非鉛材料からなる圧電薄膜２２がこの順に積層され、圧電薄膜２２上の所定位置に上部電極２３が形成されてなる圧電薄膜素子２０を備える。圧電薄膜素子２０は、下部電極２１と上部電極２３との間に、例えば高周波電圧等の交流電圧が印加されることで振動するよう構成されている。
【００２５】
また、流速センサ１は、ダイアフラム１０ｄを介して、圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓから突出するように形成される柱状構造体１１ｂを備える。柱状構造体１１ｂは、例えば気体や液体等の流体と干渉することにより圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓに応力を加えるよう構成されている。
【００２６】
また、流速センサ１は、圧電薄膜２２上に形成される検知電極３０を備える。検知電極３０には、圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓが、柱状構造体１１ｂからダイアフラム１０ｄを介して応力を受けることで、圧電薄膜２２に発生する圧電効果を検知する後述の検知手段５４（図２参照）が接続されている。
【００２７】
（圧電薄膜素子）
圧電薄膜素子２０が形成される基板１１は、例えばＳｉ等からなり、中央部が円形にくり抜かれた枠状となっている。基板１１上には、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜１２と、シリコン（Ｓｉ）膜１３とがこの順に積層されている。
【００２８】
圧電薄膜素子２０が備える下部電極２１は、例えば、ＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とを介して、基板１１上に形成された白金（Ｐｔ）膜等からなる。Ｐｔ膜の主表面としての上面、つまり、圧電薄膜２２が形成される側の面は、（１１１）面に優先配向している。また、下部電極２１は、シリコン（Ｓｉ）膜１３との間に、図示しない密着層を備えていてもよい。密着層は、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）等からなる。
【００２９】
圧電薄膜素子２０が備える圧電薄膜２２は、例えば非鉛圧電薄膜である。係る非鉛系の圧電薄膜２２は、例えばアルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有し、係る構造は、例えば擬立方晶となっている。この場合、圧電薄膜２２の主表面としての上面、つまり、上部電極２３が形成される側の面は、例えば（００１）面に優先配向している。或いは、圧電薄膜２２は、例えば組成式が（Ｋ１−ＸＮａＸ）ＮｂＯ３（但し、０．４００≦Ｘ≦０．７３０）で表わされるニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）からなる。なお、例えば矩形状に形成された圧電薄膜２２の一角には、下地である下部電極２１が露出した開口部２２ｈが形成されている。
【００３０】
圧電薄膜素子２０が備える上部電極２３は、圧電薄膜２２上の所定位置、例えば中央部等に形成されている。つまり、上部電極２３は、枠状となった基板１１のくり抜かれた中央部上に位置する。また、上部電極２３には、例えば矩形状に形成された圧電薄膜２２の対角線上を、基板１１の枠上へと延びる引き出し配線２３ｗが接続されている。引き出し配線２３ｗは、基板１１の枠上に形成される電極パッド２３ｐに接続されている。上部電極２３、引き出し配線２３ｗ、および電極パッド２３ｐは、例えばＰｔ膜等からなる。これらは、ＴｉやＴａ等からなる密着層を介して形成されていてもよい。
【００３１】
圧電薄膜素子２０の下面側、つまり、下部電極２１の圧電薄膜２２が形成される側とは反対の面は、交流電圧等を印加されて振動する圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓとなっている。
【００３２】
圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓには、例えば基板１１上に積層された上述のＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とからなるダイアフラム１０ｄが形成されている。ダイアフラム１０ｄは、枠状の基板１１にて周囲を支持され、例えば応力のない定常状態にて所定の共振周波数を有している。
【００３３】
（柱状構造体）
柱状構造体１１ｂは、例えば周囲を基板１１で支持されるダイアフラム１０ｄの中央部であって、ダイアフラム１０ｄの振動面２０ｓと接する面とは反対側の面に、略垂直に接続されている。つまり、柱状構造体１１ｂは上部電極２３の下方に設けられている。
【００３４】
また、柱状構造体１１ｂは、例えば長手方向を回転軸として一周させたときに２回以上の回転対称性を有する横断面形状となっている。具体的には、柱状構造体１１ｂの横断面形状は、円形や正方形、正六角形等である。
【００３５】
また、柱状構造体１１ｂは、例えばＳｉ等から構成され、流体に対する抵抗係数が０．６３以上２．０１以下である。柱状構造体１１ｂの横断面形状が円形のとき、抵抗係数は０．６３以上１．２０以下程度であり、柱状構造体１１ｂの横断面形状が正方形のとき、抵抗係数は１．１２以上２．０１以下程度である。柱状構造体１１ｂの径に対する高さの比、つまり、アスペクト比が１以上であれば、柱状構造体１１ｂの抵抗係数は上記範囲内となり、それほど大きく変化しない。
【００３６】
（検知電極）
検知電極３０は、例えばダイアフラム１０ｄの上方位置に配置され、流体の流速の検知に係る流速検知電極３１と、流体の流れる向き（方位）の検知に係る方位検知電極３２ｘ，３２ｙとを備える。
【００３７】
流速検知電極３１は、圧電薄膜２２上の所定位置、例えばダイアフラム１０ｄ上の中央部等に形成されている。つまり、本実施形態においては、圧電薄膜素子２２の中央部であって、枠状となった基板１１のくり抜かれた中央部上に位置する上部電極２３が、流速検知電極３１としても用いられる。圧電薄膜２２上の中央部に位置する円板状の電極に上部電極２３と流速検知電極３１との両方の機能を実現するには、係る電極を、例えば電気的に分離された２枚の電極に分ければよい。あるいは、上部電極２３の機能と流速検知電極３１の機能とを所定時間ごとに分割した時分割式の電極としてもよい。同様に、上部電極２３が備える引き出し配線２３ｗ、電極パッド２３ｐも、流速検知電極３１の引き出し配線３１ｗ、電極パッド３１ｐとして用いることができる。
【００３８】
方位検知電極３２ｘ，３２ｙは、圧電薄膜２２上の上部電極２３（流速検知電極３１）から離間した位置に、複数、例えば１対ずつ形成されている。
【００３９】
方位検知電極３２ｘは、例えば矩形状に形成された流速センサ１の一辺に平行な方向をｘ軸方向とし、他方の辺に平行な方向をｙ軸方向としたとき、上部電極２３を挟んだダイアフラム１０ｄ上に、ｘ軸方向に等距離離間して１つずつ形成されている。よって、方位検知電極３２ｘは、上部電極２３を通りｙ軸に平行な対称軸に対して対称、つまり、線対称となっている。同様に、方位検知電極３２ｙは、上部電極２３を挟んだダイアフラム１０ｄ上に、ｙ軸方向に等距離離間して１つずつ形成されている。よって、方位検知電極３２ｙは、上部電極２３を通りｘ軸に平行な対称軸に対して対称、つまり、線対称となっている。
【００４０】
すなわち、本実施形態においては、流体の方位検知に係る検知電極３０（３２ｘ，３２ｙ）が、上部電極２３を対称中心として対称となるように、つまり、点対称に２対形成されている。このように、流速センサ１は、多軸検知式センサ（ここでは、２軸検知式センサ）として構成される。
【００４１】
また、１対の方位検知電極３２ｘは、ｘ軸方向に基板１１の枠上へと延びる引き出し配線３２ｗと、基板１１の枠上に形成され、引き出し配線３２ｗが接続される電極パッド３２ｐとをそれぞれ備える。また、１対の方位検知電極３２ｙは、ｙ軸方向に基板１１の枠上へと延びる引き出し配線３２ｗと、基板１１の枠上に形成され、引き出し配線３２ｗが接続される電極パッド３２ｐとをそれぞれ備える。
【００４２】
方位検知電極３２ｘ，３２ｙ、引き出し配線３２ｗ、および電極パッド３２ｐは、例えばＰｔ膜等からなる。
【００４３】
（２）流速センサの動作
続いて、本実施形態に係る流速センサ１の動作について、図２，３を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る流速センサ１がプリント基板５１に実装されてなる流速センサパッケージ２の動作説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態の流速センサパッケージ２の断面図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態の流速センサパッケージ２の断面図である。図３は、本実施形態に係る流速センサ１の圧電薄膜素子２０に発生する圧電効果の説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態での流速センサ１における圧電効果を示す図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態での流速センサ１における圧電効果を示す図であり、（ｃ）は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子２０の電圧の振幅を示すグラフである。
【００４４】
図２に示すように、流速センサ１は、例えば流速センサ１がプリント基板５１に実装された流速センサパッケージ２の状態で使用される。プリント基板５１に実装された状態では、流速センサ１の上部電極２３等が形成された面は、プリント基板５１側に向いている。また、流速センサ１の上部電極２３、流速検知電極３１、方位検知電極３２ｘ，３２ｙが備える電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐと、圧電薄膜２２の開口部２２ｈ内に露出した下部電極２１とは、例えばハンダボール５２を介してプリント基板５１上の所定の電極等（図示せず）に接続されている。
【００４５】
流速センサ１が備える上部電極２３の電極パッド２３ｐが接続されるプリント基板５１上の電極は、例えば圧電薄膜素子２０に高周波電圧等の交流電圧を印加する交流電源５３に電気的に接続されている。また、流速センサ１が備える検知電極３０の電極パッド３１ｐ，３２ｐが接続されるプリント基板５１上の電極は、例えば圧電薄膜素子２０に発生した圧電効果を検知する検知手段５４に電気的に接続されている。検知手段５４は、電圧検出回路や電圧信号処理回路等から構成され、検知した電圧信号等を解析するコンピュータ等から構成される制御部（図示せず）に更に接続されている。また、流速センサ１の下部電極２１が接続されるプリント基板５１上の電極は、例えば接地されている。
【００４６】
このように構成される流速センサパッケージ２は、測定に係る流体中に流速センサ１が備える柱状構造体１１ｂを突出させた状態で設置される。このとき、流速センサパッケージ２は、図２に示すように柱状構造体１１ｂを上方に向けた状態で所定の場所に静置してもよく、或いは、柱状構造体１１ｂを水平方向に向けた状態で壁面等から下げたり、柱状構造体１１ｂを下方に向けた状態で天井等から吊り下げたりしてもよい。
【００４７】
以下に説明するように、流体中に置かれた柱状構造体１１ｂは、流体の干渉を受けて流体の流れる向きに傾く。これにより、ダイアフラム１０ｄに撓みが生じる。また、撓みの生じたダイアフラム１０ｄは、その共振周波数に変化を生じる。圧電薄膜素子２０は、ダイアフラム１０ｄ全体の共振周波数の変化から、流体の流速を検出する。また、圧電薄膜素子２０は、ダイアフラム１０ｄの撓みによる各点の応力状態から、流体の流れる向きを検出する。
【００４８】
（柱状構造体と流体との干渉）
まずは、流体の干渉を受けた柱状構造体１１ｂが傾く様子について説明する。
【００４９】
図２（ａ）に示すように、流速センサパッケージ２が設置された流体中に動きがないとき、つまり、「無風」状態等で流体が停滞しているようなときは、流速センサ１が備える柱状構造体１１ｂと流体とに干渉は生じない。また、柱状構造体１１ｂが接続されたダイアフラム１０ｄには、柱状構造体１１ｂからの応力はほとんど加わっていない。
【００５０】
図２（ｂ）に示すように、流速センサパッケージ２が設置された流体に流れが生じているときは、流速センサ１が備える柱状構造体１１ｂと流体とに干渉が生じる。例えば流体が、流速センサ１のｘ軸方向に沿って、図２（ｂ）の紙面の左から右へと流れているときは（図中の白抜き矢印）、柱状構造体１１ｂは、流体との干渉により曲げ変形を起こし、紙面右方向へと傾く。
【００５１】
このように柱状構造体１１ｂが傾くと、柱状構造体１１ｂが接続されたダイアフラム１０ｄには撓みが生じる。よって、柱状構造体１１ｂを挟んで流体の上流側（紙面左側）では、ダイアフラム１０ｄは、流体の下流側（紙面右側）へと引っ張られて引張応力を受ける。また、柱状構造体１１ｂを挟んで流体の下流側では、ダイアフラム１０ｄは流体の上流側から圧縮されて圧縮応力を受ける。
【００５２】
（流体の流速の検出）
ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていない状態と、加わっている状態とを、圧電薄膜素子２０に発生する圧電効果として検出する様子を示したのが図３である。上述の通り、圧電効果から判別されるダイアフラム１０ｄの状態には、ダイアフラム１０ｄの共振周波数の変化と、ダイアフラム１０ｄの撓みによる各点の応力状態とがある。
【００５３】
まずは、圧電効果によりダイアフラム１０ｄの共振周波数の変化を検出する場合について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００５４】
上述のように、ダイアフラム１０ｄは、応力が加わっていない状態で所定の共振周波数ｆＲを有する。また、柱状構造体１１ｂと流体とが干渉することで上記のような引張応力および圧縮応力が加わると、ダイアフラム１０ｄは、ダイアフラム１０ｄ全体としての応力の状態に応じて、上記所定の共振周波数ｆＲとは異なる共振周波数ｆＲ’を有することとなる。
【００５５】
本実施形態に係る流速センサ１は、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないときの共振周波数ｆＲと、応力が加わっているときの共振周波数ｆＲ’と、の差分ΔｆＲを測定することで、流体の流速を検出するよう構成される。
【００５６】
具体的には、交流電源５３から上部電極２３を介して圧電薄膜素子２０に交流電圧を印加し、その周波数を変化させていくと、圧電薄膜素子２０は印加される交流電圧の周波数に応じた振動周波数で自身が振動する。これにより、圧電薄膜素子２０は、ダイアフラム１０ｄを振動させる。
【００５７】
ダイアフラム１０ｄは、圧電薄膜素子２０の振動周波数に応じて自身の振動の大きさ、つまり振幅を変化させていく。圧電薄膜素子２０の振動周波数がダイアフラム１０ｄの共振周波数と等しくなったとき、振幅が最大となる。
【００５８】
そして今度は、ダイアフラム１０ｄの振幅が圧電薄膜素子２０に伝わる。つまり、ダイアフラム１０ｄの振動により、圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓがその振動の振幅に応じた大きさの応力を受けることで、圧電薄膜素子２０に圧電効果が発生する。これが、圧電薄膜素子２０が備える流速検知電極３１を介し、振動の振幅に応じた電圧の振幅として検知手段５４により検知される。
【００５９】
図３（ｃ）に、圧電薄膜素子２０に印加する交流電圧の周波数に応じて、圧電薄膜素子２０に発生する電圧の振幅が変化するグラフを示す。グラフの横軸は、圧電薄膜素子２０に印加される交流電圧の周波数であり、縦軸は、圧電薄膜素子２０に発生する電圧の振幅である。また、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないときの電圧の振幅の変化を実線で示し、応力が加わっているときの電圧の振幅の変化を破線で示す。
【００６０】
図３（ｃ）に示すように、圧電薄膜素子２０に印加する交流電圧の周波数に応じて、圧電薄膜素子２０に発生する電圧の振幅が変化していく。係る電圧の振幅が最大となる振動周波数が、それぞれの応力状態におけるダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲ，ｆＲ’である。
【００６１】
すなわち、図３（ａ）に示すように、流体が停滞して柱状構造体１１ｂと流体とが干渉しておらず、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないとき、圧電薄膜素子２０の流速検知電極３１を介して検知される電圧の振幅が最大となる振動周波数が、共振周波数ｆＲとして特定される。
【００６２】
また、図３（ｂ）に示すように、流体に流れが生じて柱状構造体１１ｂと流体とが干渉し、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっているとき、圧電薄膜素子２０の流速検知電極３１を介して検知される電圧の振幅が最大となる振動周波数、つまり、共振周波数ｆＲ’が特定される。
【００６３】
このように特定された共振周波数ｆＲ，ｆＲ’の差分ΔｆＲを測定することで、ダイアフラム１０ｄに加わる応力の大きさを算出する。また、算出されたダイアフラム１０ｄの応力の大きさから、流体の干渉を受けた柱状構造体１１ｂの傾きが判り、柱状構造体１１ｂに干渉する流体の流速を検出することができる。
【００６４】
なお、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないときの共振周波数ｆＲや、図３（ｃ）に実線で示す周波数変化と電圧の振幅との関係は、既知の値として、予め、検知手段５４に接続される制御部等に記憶されていてもよい。流速を測定する際には、係る既知の値を、実際の測定値と比較することで、そのときの流速を算出することができる。
【００６５】
（流体の方位の検出）
次に、圧電効果によりダイアフラム１０ｄの撓みによる各点の応力状態を検出する場合について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００６６】
上述のように、流体と干渉して柱状構造体１１ｂが傾き、撓みが生じたダイアフラム１０ｄは、柱状構造体１１ｂを挟んで流体の上流側が下流側へと引っ張られ、下流側が上流側から圧縮された状態となっている。これが、振動面２０ｓを介して圧電薄膜素子２０に伝わり、流体の上流側に置かれた方位検知電極３２ｘ近傍の圧電薄膜２２は、引張応力を受ける。また、流体の下流側に置かれた方位検知電極３２ｘ近傍の圧電薄膜２２は、圧縮応力を受ける。
【００６７】
本実施形態に係る流速センサ１は、圧電薄膜素子２０に発生する圧電効果として方位検知電極３２ｘ，３２ｙを介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別することで、流体の流れる向きを検出するよう構成される。なお、流体の流速の検出と流れる方向の検出とは、時間を分けて別々に行うことができる。或いは、並行して行ってもよい。
【００６８】
圧電薄膜素子２０を構成する圧電薄膜２２は、図３（ａ）に示すように、応力を受けていない状態では電圧を生じない。よって、方位検知電極３２ｘから検知される電圧は、ゼロ電圧Ｖｘ（０）である。もしくは、各方位検知電極３２ｘ間の電圧差がゼロ（０）である。また、流速の検出と並行して流体の流れる方向の検出を行う場合、ダイアフラム１０ｄ自体が振動しているため、方位検知電極３２ｘは、厳密には、この振動に応じた正もしくは負の電圧を発生する。しかし、流体による応力を受けていない状態においては、ダイアフラム１０ｄの振動の対称性がｘ軸上、ｙ軸上等の各所で保たれているため、対となる電極間の電圧差はゼロ（０）となる。
【００６９】
一方で、図３（ｂ）に示すように、圧電薄膜２２が所定の応力を受けるとｘ軸上における対称性が崩れる。すなわち、圧電薄膜２２は、引張応力を受けると圧電効果により例えば負の電圧Ｖｘ（−）を生じ、方位検知電極３２ｘから検知されるよう構成される。また、圧縮応力を受けると圧電効果により例えば正の電圧Ｖｘ（＋）を生じ、方位検知電極３２ｘから検知されるよう構成される。なお、引張応力および圧縮応力により生じる電圧は、上記とは正負が逆になるよう構成されていてもよい。
【００７０】
なお、上記の例のように、流体の流れる向きが流速センサ１のｘ軸と平行であれば、ｙ軸上における対称性は保たれる。すなわち、ｘ軸に平行な対称軸に対して対称に、上部電極２３を挟んで形成された１対の方位検知電極３２ｙからは、正負の符号が同一で、大きさが等しい電圧値が検知される。
【００７１】
以上のことから、流体の流れる向き、つまり、この場合においては、流速センサ１のｘ軸方向に沿って、図３（ｂ）の紙面の左から右へと流体が流れていることが検出される。流体の流れる向きが、ｘ軸やｙ軸と平行ではない場合であっても、方位検知電極３２ｘ，３２ｙを介して検知される電圧の大小関係について、方位検知電極３２ｘ，３２ｙの位置関係に照らしてベクトル合成等を行うことで、流体の流れる向きを検出することができる。また、流体の流れる向きが、流速センサパッケージ２の設置面に対して水平ではないとき（ｚ成分を有するとき）、つまり、流体が柱状構造体の長手方向と垂直に当たっていないときには、方位検知電極３２ｘ，３２ｙを介して検知される電圧のベクトル合成等から得た流速の見積もり値と、上述の流速検知電極３１を介して検知される電圧から得た流速のより正確な値と、を比較することで、流体の流れる向きのｚ成分を割り出すことができる。これにより、流体の流れる向きを検出することができる。
【００７２】
（３）流速センサの製造方法
次に、本実施形態に係る流速センサ１の製造方法について、図４，５を用いて説明する。図４，５はそれぞれ、本実施形態に係る流速センサ１の製造方法を断面図で示す工程図（その１、その２）である。
【００７３】
（基板の準備工程）
まず、図４（ａ）に示すように、例えばＳｉ等からなり、ＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とがこの順に積層された基板１１を準備する。このとき、ＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とを備える基板１１として、例えばＳｉ基板上に絶縁膜としてのシリコン熱酸化膜と、上面が（００１）面等である単結晶Ｓｉ膜と、を備えたＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いてもよい。
【００７４】
（積層膜の形成工程）
図４（ｂ）に示すように、準備した基板１１上に、下部電極２１と圧電薄膜２２とをこの順に積層して、積層基板３を製造する。
【００７５】
具体的には、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）と磁石とを用いてプラズマを励起させるＲＦマグネトロンスパッタリング法などにより、基板１１のＳｉ膜１３上にＰｔ膜等からなる下部電極２１を形成する。このとき、ＴｉやＴａ等からなる密着層を、スパッタリング法などによりＳｉ膜１３上に予め形成しておいてもよい。
【００７６】
例えば、上面が（００１）面である単結晶Ｓｉ膜からＳｉ膜１３を構成し、この上にＰｔ膜を成膜することで、Ｐｔの自己配向性により、上面が（１１１）面に優先配向した下部電極２１が得られ易い。また、予め密着層を形成しておくことで、Ｓｉ膜１３と下部電極２１との密着性を高めることができる。
【００７７】
このように形成された下部電極２１上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法などにより、例えば（Ｋ１−ＸＮａＸ）ＮｂＯ３等からなる圧電薄膜２２を形成する。
【００７８】
このとき、例えばペロブスカイト構造を有し、上面が（００１）面に優先配向した圧電薄膜２２が得られるよう、基板温度や、高周波による放電電力、スパッタリング用ガスの種類や混合比、スパッタリング用チャンバ内の圧力等の条件を調整する。本実施形態においては、下地の下部電極２１を上面が（１１１）面に優先配向したＰｔ膜から構成しているので、所望の結晶構造を有する圧電薄膜２２が、いっそう得られ易い。
【００７９】
次に、圧電薄膜２２に開口部２２ｈを設けて下部電極２１を露出させる。
【００８０】
具体的には、圧電薄膜２２上にレジストパターンを形成し、スパッタリング及びリフトオフ等により、図４（ｃ）に示すように、クロム（Ｃｒ）等からなるマスクパターン４１ｍを形成する。
【００８１】
続いて、マスクパターン４１ｍをマスクとするウェットエッチング等により、図４（ｄ）に示すように、下部電極２１が露出した開口部２２ｈを圧電薄膜２２に形成する。開口部２２ｈを形成した後、マスクパターン４１ｍを除去する。
【００８２】
（上部電極および検知電極の形成工程）
次に、上部電極２３（流速検知電極３１）および方位検知電極３２ｘ，３２ｙを、圧電薄膜２２上の所定位置にそれぞれ形成する。
【００８３】
具体的には、図４（ｅ）に示すように、開口部２２ｈが設けられた圧電薄膜２２上に、開口部２２ｈを覆うようにレジストパターン４２ｒを形成する。
【００８４】
このレジストパターン４２ｒをマスクとするＰｔ等のスパッタリング及びリフトオフ等により、図４（ｆ）に示すように、上部電極２３（流速検知電極３１）、方位検知電極３２ｘ，３２ｙと、これらに接続される引き出し配線２３ｗ，３１ｗ，３２ｗおよび電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐとをそれぞれ形成する（一部のみ図示）。
【００８５】
以上により、上部電極２３（流速検知電極３１）および方位検知電極３２ｘ，３２ｙが形成されると共に、圧電薄膜素子２０が形成される。
【００８６】
なお、上部電極２３等の形成工程に先駆けて、ＴｉやＴａからなる密着層を形成しておいてもよい。
【００８７】
また、図４（ｆ）には、各電極２３（３１），３２ｘ，３２ｙや電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐを明示するため、これらを引き出し配線２３ｗ，３１ｗ，３２ｗよりも高く描き表わしたが（２３（３１），３２ｐ，３２ｗのみ図示）、これらの構成は、全て略同じ高さとなっていてもよい。あるいは、各電極２３，３１，３２ｘ，３２ｙや電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐ上にのみ、さらにスパッタリングやメッキ等を施して、図４（ｆ）に示すように、引き出し配線２３ｗ，３１ｗ，３２ｗから突出させ、電気的接続を一層向上させてもよい。例えば、圧電素子２０とプリント基板５１との接続に、一般的なワイヤボンディング等を用いる場合には、一般的な例に倣って、電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐに金（Ａｕ）等を蒸着する。
【００８８】
（柱状構造体の形成工程）
続いて、基板１１を枠状にくり抜いて、圧電薄膜素子２０の振動面２２ｓから突出する柱状構造体１１ｂを形成する。また、このとき、枠状の基板１１に周囲を支持されたダイアフラム１０ｄも形成される。係る工程は、例えば、Ｓｉの深掘りエッチング等、バルクマイクロマシニング技術を用いて行われる。
【００８９】
まずは、柱状構造体１１ｂや枠状の基板１１を所定形状に仕上げるため、マスクパターン４３ｍ，４６ｍを形成する。
【００９０】
具体的には、図５（ａ）に示すように、基板１１の下面、つまり、圧電薄膜素子２０の形成面とは反対側の面に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によりＳｉＯ２膜４３を形成し、更に、ＳｉＯ２膜４３上にレジストパターン４４ｒを形成する。
【００９１】
引き続き、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン４４ｒをマスクとするウェットエッチング等により、ＳｉＯ２膜４３をエッチングしてマスクパターン４３ｍを形成する。その後、レジストパターン４４ｒを除去する。
【００９２】
次に、図５（ｃ）に示すように、基板１１の下面側に、レジストパターン４５ｒを形成し、このレジストパターン４５ｒをマスクとするスパッタリング及びリフトオフ等により、マスクパターン４３ｍ上および基板１１の露出した下面に、Ｃｒ等からなるマスクパターン４６ｍを形成する。マスクパターン４６ｍの形成後、レジストパターン４５ｒを除去した後（リフトオフ後）の様子を、図５（ｄ）に示す。
【００９３】
続いて、このように形成されたマスクパターン４３ｍ，４６ｍを用いて柱状構造体１１ｂや枠状の基板１１を形成する。
【００９４】
具体的には、図５（ｅ）に示すように、マスクパターン４６ｍをマスクとするＳｉの深掘りエッチングにより、柱状構造体１１ｂの形成予定箇所を保護しつつ、基板１１の中央部を厚さ方向の途中までエッチングする。
【００９５】
ここで、図５（ｆ）に示すように、マスクパターン４６ｍを除去した後、引き続き、マスクパターン４３ｍをマスクとするＳｉの深掘りエッチングにより、柱状構造体１１ｂの形成予定箇所を除く、基板１１の下面全面をエッチングする。このとき、基板１１の上面に形成されたＳｉＯ２膜１２を下地エッチストップ膜として用い、基板１１の中央部のＳｉＯ２膜１２が露出するまでエッチングを継続する。
【００９６】
これにより、図５（ｇ）に示すように、基板１１は、中央部がくり抜かれた枠状となる。基板１１の中央部には、エッチングされずに残ったＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とからなるダイアフラム１０ｄが形成される。また、当初、マスクパターン４６ｍにより保護されていた基板１１の外周部が途中までエッチングされることで、基板１１の外周部の高さより突出した柱状構造体１１ｂが形成される。
【００９７】
以上により、本実施形態に係る流速センサ１が製造される。
【００９８】
（４）本実施形態の変形例
本実施形態の変形例に係る流速センサでは、流体の流速の検出時、ダイアフラムの共振周波数の変化ではなく、交流電圧の所定周波数におけるダイアフラムの振幅の変化により流体の流速を検出する点が、上述の実施形態とは異なる。
【００９９】
本変形例に係る流速センサの動作について、図６を用いて説明する。図６は、本変形例に係る流速センサの圧電薄膜素子に発生する圧電効果の説明図であって、（ａ）は流体との干渉が起きていない状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｂ）は流体との干渉が起きている状態での流速センサにおける圧電効果を示す図であり、（ｃ）は交流電圧の周波数に応じて変化する圧電薄膜素子の電圧の振幅を示すグラフである。
【０１００】
本変形例においても、上述の実施形態と同様の構成を備える流速センサ１や流速センサパッケージ２を用い、流体の流速を検出することができる。具体的には、応力がないときのダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲにあたる周波数の電圧を、交流電源５３から上部電極２３を介して圧電薄膜素子２０に印加する。圧電薄膜素子２０には、係る周波数に応じた圧電効果、すなわち、電圧の振幅が生じ、これが流速検知電極３１を介して検知手段５４により検知される。
【０１０１】
上述の通り、ダイアフラム１０ｄに応力が加わると、応力がないときのダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲとは異なる共振周波数ｆＲ’を有する。これに伴い、図６（ｃ）に示すように、共振周波数ｆＲにあたる周波数の電圧を印加しても、圧電薄膜素子２０の電圧は、応力がないときの最大の振幅ＡＲとはならず、所定の振幅ＡＲ’にまで低下してしまう。
【０１０２】
すなわち、図６（ａ）に示すように、流体が停滞して柱状構造体１１ｂと流体とが干渉しておらず、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないとき、共振周波数ｆＲの電圧が印加された圧電薄膜素子２０の流速検知電極３１を介して検知される電圧は最大の振幅ＡＲを示す。
【０１０３】
また、図６（ｂ）に示すように、流体に流れが生じて柱状構造体１１ｂと流体とが干渉し、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっているとき、共振周波数ｆＲの電圧が印加された圧電薄膜素子２０の流速検知電極３１を介して検知される電圧は最大の振幅ＡＲから所定量低下した振幅ＡＲ’を示す。
【０１０４】
このように検知された電圧の振幅ＡＲ，ＡＲ’の差分ΔＡＲを測定することで、ダイアフラム１０ｄに加わる応力の大きさを算出し、柱状構造体１１ｂに干渉する流体の流速を検出することができる。
【０１０５】
（５）本実施形態に係る効果
本実施形態やその変形例によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。
【０１０６】
（ａ）すなわち、本実施形態では、圧電薄膜素子２０と、柱状構造体１１ｂと、検知電極３０と、により、ＭＥＭＳ技術を用いた機械式の流速センサ１を構成する。これにより、低コストで時間分解能に優れる流速センサ１が提供される。よって、例えば時間分解能が重視される環境モニタリングの用途等において、好適に用いられる。
【０１０７】
（ｂ）また、本実施形態では、ダイアフラム１０ｄに応力が加わっていないときの共振周波数ｆＲと、応力が加わっているときの共振周波数ｆＲ’と、の差分ΔｆＲを測定することで、流体の流速を検出する。これにより、流体の流速を精度よく検出することができる。
【０１０８】
（ｃ）また、本実施形態では、ダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲにおける電圧の振幅ＡＲ，ＡＲ’の差分ΔＡＲを測定することで、流体の流速を検出する。これにより、流体の流速を精度よく検出することができる。また、共振周波数ｆＲ，ｆＲ’を割り出しその差分ΔｆＲを測定する場合と異なり、共振周波数ｆＲ等の所定電圧を印加すればよく、交流電源５３等の構成を簡易化できるほか、測定時間を短縮して測定効率を高めることができる。
【０１０９】
（ｄ）このように、本実施形態では、電圧の振幅が最大となる共振周波数ｆＲ，ｆＲ’の変化を利用して、流体の流速を検出する。これにより、充分な強度の電圧信号が得られ、測定の精度を向上させることができる。
【０１１０】
（ｅ）また、本実施形態では、複数の検知電極３０を介して検知される電圧の正負をそれぞれ判別し、複数の電圧の大小関係と複数の検知電極３０の位置関係とから、流体の流れる向きを検出する。これにより、流体の流れる向きを高精度に検出できる流速センサ１が提供される。
【０１１１】
（ｆ）また、本実施形態では、検知電極３０は、上部電極２３を通る対称軸に対称となるよう、上部電極２３から離間して２つ以上形成されている。或いは、検知電極３０は、上部電極２３を対称中心として対称となるように、上部電極２３から離間して２対以上形成されている。これにより、低コストで時間分解能に優れる多軸検知式の流速センサ１が提供される。
【０１１２】
（ｇ）また、本実施形態では、柱状構造体１１ｂは長手方向を回転軸として一周させたときに２回以上の回転対称性を有する。これにより、柱状構造体１１ｂが、例えば正方形の横断面であれば２方位、正六角形であれば３方位、円形であれば全方位、というように、流体の流れる向きに対する所定方位の感度を略等しくすることができる。
【０１１３】
（ｈ）また、本実施形態では、圧電薄膜素子２０の振動面２０ｓには、中央部がくり抜かれた枠状の基板１１にて周囲を支持されたダイアフラム１０ｄが形成されている。このように、柱状構造体１１ｂの傾きによる応力や圧電薄膜素子２０振動を受け易いダイアフラム構造とすることで、流速センサ１の感度をいっそう向上させることができる。
【０１１４】
（ｉ）また、本実施形態では、柱状構造体１１ｂは、ダイアフラム１０ｄの中央部に、基板１１の高さよりも突出して形成されている。これにより、流体との干渉による応力を、ダイアフラム１０ｄや圧電薄膜素子２０に、より均等に感度良く伝達することができる。
【０１１５】
（ｊ）また、本実施形態では、上部電極２３が、ダイアフラム１０ｄ上の中央部に形成されている。これにより、圧電薄膜素子２０の振動を略均等にダイアフラム１０ｄに伝えることができる。また、流速検知電極３１が、ダイアフラム１０ｄ上の中央部に形成されることで、ダイアフラム１０ｄ全体の振動を偏りの少ない状態で検知することができる。
【０１１６】
（ｋ）また、本実施形態では、検知電極３０がダイアフラム１０ｄ上に形成されている。これにより、ダイアフラム１０ｄから伝達される撓みや振動を感度良く検知することができる。
【０１１７】
（ｌ）また、本実施形態では、電極パッド２３ｐ，３１ｐ，３２ｐや圧電薄膜２２の開口部２２ｈ等のその他の構成が、基板１１の枠上に形成されている。これにより、ダイアフラム１０ｄの撓みや振動による動きが妨げられてしまうのを抑制することができる。
【０１１８】
（ｍ）また、本実施形態では、圧電薄膜２２は、非鉛圧電薄膜である。これにより、流速センサ１が例えば環境モニタリング用途等に用いられた場合であっても、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（ＺｒＸＴｉ１−Ｘ）Ｏ３）等の他の材料から構成される圧電薄膜と比較して、環境に対する影響を低減することができる。ただし、非鉛系、鉛系の別は、検出の精度や感度、分解能等の流速センサとしての特性自体に影響を与えるものではない。
【０１１９】
（ｎ）また、本実施形態では、圧電薄膜２２は、アルカリニオブ酸化物系ペロブスカイト構造を有する。係る構造は擬立方晶である。また、圧電薄膜２２の上面が（００１）面に優先配向している。また、組成式が（Ｋ１−ＸＮａＸ）ＮｂＯ３（但し、０．４００≦Ｘ≦０．７３０）で表わされるニオブ酸カリウムナトリウムからなる。これにより、結晶性に優れ、圧電効果の高い圧電薄膜２２を得ることができる。
【０１２０】
（ｏ）また、本実施形態では、下部電極２１は、上面が（１１１）面に優先配向したＰｔ膜からなる。これにより、いっそう結晶性に優れ、圧電効果の高い圧電薄膜２２を得ることができる。
【０１２１】
＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【０１２２】
例えば、上述の実施形態では、上部電極２３と流速検知電極３１とが、電気的に分離された電極、或いは、時分割式の電極として構成されることとしたが、上部電極と流速検知電極とが物理的に分離し、また、圧電薄膜上の離間した位置に配置されていてもよい。或いは、方位検知電極の少なくともいずれかに、流速検知電極としての機能を持たせてもよい。
【０１２３】
図１（ａ）等に示した各電極の配置も任意のものであり、種々変更可能である。例えば、各電極は、必ずしもダイアフラム上に形成されていなくともよい。また例えば、方位検知電極は２つ以上あればよく、線対称や点対称の配置になっていなくともよい。
【０１２４】
また、例えば、上述の実施形態では、柱状構造体１１ｂは２回以上の回転対称性を有することとしたが、これに限られず、柱状構造体の横断面形状は、例えば楕円形や流線型、三角形、長方形や菱形等の他の形状であってもよい。柱状構造体は、ダイアフラムの中央部以外の位置に形成されていてもよい。
【０１２５】
このように、方位検知電極や柱状構造体の配置、柱状構造体の横断面形状等に変化をつけることで、流体の流れる向きに対する所定方位の感度に指向性を持たせることができる。
【０１２６】
また、上述の実施形態では、上部電極２３や検知電極３０はＰｔ膜から構成されることとしたが、これらの電極は、圧電薄膜の結晶性等には直接影響しない。よって、これ以外の種々の材料であっても用いることができる。Ｐｔ以外には、例えばタングステン（Ｗ）、Ｔａ、Ａｕ、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｔｉ、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）等がある。
【０１２７】
また、上述の実施形態では、下部電極２１はＰｔ膜から構成されることとしたが、Ｐｔを含む合金や、Ａｕ、Ｒｕ、Ｉｒ、スズ（Ｓｎ）、Ｉｎなどの金属、または、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）やニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）などの金属酸化物等を用いることもできる。
【０１２８】
また、上部電極や下部電極は、密着層を有していなくともよい。
【０１２９】
また、上述の実施形態では、圧電薄膜２２はニオブ酸カリウムナトリウムであるとしたが、これに他の元素が添加されていてもよい。他の元素として、例えばリチウム（Ｌｉ）、Ｔａ、アンチモン（Ｓｂ）、カルシウム（Ｃａ）、Ｃｕ、バリウム（Ｂａ）Ｔｉ等を５％以下添加することができる。
【０１３０】
また、上述の実施形態では、ダイアフラム１０ｄはＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とからなることとしたが、これ以外の材料や膜構成であってもよく、例えばシリコン窒化（ＳｉＮ）膜やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）膜等を適宜組み合わせて用いることができる。
【０１３１】
また、上述の実施形態では、ＳｉＯ２膜１２とＳｉ膜１３とを有する基板１１をＳＯＩウエハから構成することとしたが、これに限定されない。Ｓｉ等の基板にＳｉＯ２膜やＳｉ膜等を、スパッタリングやＣＶＤなどにより成膜して用いてもよい。このとき、石英ガラス基板、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板、ステンレス等の金属基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）基板等の基板を用いてもよい。陽極接合や機械的接合により形成された基板であってもよい。
【０１３２】
また、上述の実施形態では、圧電薄膜素子２０の電圧の振幅が最大となるダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲ，ｆＲ’を検出することとしたが、電圧の振幅が所定の大きさとなる任意の振動周波数を検出してもよい。また、上述の変形例では、ダイアフラム１０ｄの共振周波数ｆＲにおける圧電薄膜素子２０の電圧の振幅ＡＲ，ＡＲ’を検出することとしたが、他の所定周波数における電圧の振幅を検出してもよい。
【０１３３】
また、上述の実施形態では、上部電極２３と流速検知電極３１と方位検知電極３２ｘ，３２ｙとを備えることとしたが、方位検知電極３２ｘ，３２ｙを廃して上部電極および流速検知電極のみを有する構成とし、主に流体の流速のみを検出することとしてもよい。
【０１３４】
或いは、上部電極２３と流速検知電極３１とを廃して方位検知電極のみを有する構成とし、主に流体の流れる向きのみを検出することとしてもよい。この場合であっても、複数の方位検知電極から得られる電圧をベクトル合成等することで、流体の流速を見積もることも可能である。
【実施例】
【０１３５】
次に、本発明に係る実施例について以下に説明する。
【０１３６】
（流速センサの製作）
まずは、本実施例に係る流速センサを以下のように製作した。
【０１３７】
厚さが５００μｍのＳｉ基板上に、厚さが２μｍのシリコン熱酸化膜と、（００１）面を備え、上面に２０５ｎｍ厚の熱酸化膜を有する厚さが１０μｍの単結晶Ｓｉ膜と、が積層された４インチのＳＯＩウエハを準備した。ＳＯＩウエハの厚さは規格値で５００μｍ±２５μｍである。
【０１３８】
係るＳＯＩウエハ上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、Ｐｔからなる厚さ２１２ｎｍの下部電極を形成した。このとき、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、Ｔｉからなる厚さ２．３ｎｍの密着層を予め形成しておいた。
【０１３９】
密着層および下部電極の成膜条件は、基板温度１００℃〜３５０℃、放電電力２００Ｗ、スパッタリング用ガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気下で、スパッタリング用チャンバ内の圧力を２．５Ｐａとした。密着層の成膜時間を１分〜３分、下部電極の成膜時間を１０分とした。
【０１４０】
係る下部電極上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、（Ｋ０．４５Ｎａ０．５５）ＮｂＯ３からなる厚さ約２μｍの圧電薄膜を形成した。圧電薄膜の成膜には（Ｋ０．３５Ｎａ０．６５）ＮｂＯ３焼結体からなるターゲット材を用いた。成膜条件は、基板温度５２０℃、放電電力７００Ｗ、スパッタリング用ガスとして混合比０．００５の酸素（Ｏ２）／Ａｒ混合ガス雰囲気下で、スパッタリング用チャンバ内の圧力を１．３Ｐａとした。成膜時間は、圧電薄膜の厚さが約２μｍとなる時間とした。
【０１４１】
圧電薄膜に開口部を設ける工程では、レジストパターンに用いるレジストを日本ゼオン株式会社製のＺＰＮ−１１５０とし、Ｃｒからなるマスクパターンの厚さを４００ｎｍとした。圧電薄膜のウェットエッチングには、濃度４９体積％のフッ酸（ＨＦ水溶液）を用い、エッチング時間は１０分〜２０分程度とした。
【０１４２】
上部電極および検知電極を形成する工程では、レジストパターンに用いるレジストを東京応化工業株式会社製のＯＦＰＲ−８００とした。また、Ｔｉからなる厚さ２ｎｍの密着層上に、厚さ１００ｎｍのＰｔ膜を形成し、上部電極および検知電極を得た。
【０１４３】
柱状構造体のマスクパターンを形成する工程では、一方のマスクパターンとなる厚さ約２．５μｍのＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤにより形成した。成膜条件は、基板温度３００℃、シラン（ＳｉＨ４）／窒素（Ｎ２）混合ガス及び一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスを原料ガスとして、プラズマＣＶＤ用チャンバ内の圧力を０．３５Ｔｏｒｒ（４６．６６２８Ｐａ）とした。ＳｉＯ２膜のウェットエッチングには、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）水溶液を用いた。もう一方のマスクパターンには、Ｃｒを用いた。
【０１４４】
柱状構造体等を形成する工程では、上述の実施形態と同様、２つのマスクパターンの切り替えによる二段階エッチングを行い、前半の工程では基板を深さ方向に３００μｍ程度エッチングし、後半の工程では残りの２００μｍ程度をエッチングした。エッチングには、いわゆるボッシュプロセスを使用した。
【０１４５】
ボッシュプロセスは、Ｓｉの深掘りエッチング等で汎用され、六フッ化イオウ（ＳＦ６）ガスを用いてＳｉを深さ方向にエッチングするステップと、パーフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）ガスを用いてＳｉのエッチングされた側壁に保護膜を形成するステップと、を交互に繰り返すことで、異方性のあるエッチング形状を得ることができる。なお、エッチング側壁には２つのステップの切り替えタイミングに対応する横筋が複数刻まれ、深さ方向に３μｍ程度の所定周期の波型を有する、いわゆるスキャロプ形状となる。
【０１４６】
なお、上記２つのマスクパターンのサイズを種々に異ならせ、柱状構造体およびダイアフラムの径が異なる複数の流速センサを得た。具体的には、柱状構造体の横断面を円形とし、直径をそれぞれ、５０μｍ，１００μｍ，２５０μｍとした。基板の中央部のダイアフラムの形状を円形とし、直径をそれぞれ、０．４ｍｍ，０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．８ｍｍ，１．０ｍｍ，１．２ｍｍ，１．８ｍｍとした。
【０１４７】
（流速センサの評価）
以上のように製作した流速センサを、ハンダボールを用いてプリント基板上に実装し、以下の評価を行った。
【０１４８】
本実施例のダイアフラムは、上記の通り、厚さ１０μｍのＳｉ膜を備え、直径が０．４ｍｍ以上１．８ｍｍ以下に構成されている。応力のない定常状態において、係るダイアフラムの共振周波数を評価したところ、約２０ｋＨｚ以上１７０ｋＨｚ以下の範囲内であった。
【０１４９】
本実施例の柱状構造体は、初期の基板厚さに相当する高さ、つまり、約５００μｍの高さを備え、直径が５０μｍ以上２５０μｍ以下に構成されている。このように、アスペクト（高さ／直径）比が変化しても、流体としての空気に対する柱状構造体の抵抗係数は０．６３以上１．２０以下程度の範囲内で変化するのみであり、いずれも良好な動作特性を示した。また、粘性の高い空気を流体として用いたので、高さ約５００μｍの柱状構造体においては、レイノルズ数は１０−２以上１０−４以下程度となる。よって、柱状構造体は、粘性の高い層流中に置かれていると考えられる。このため、ボッシュプロセスにより側面に残ったスキャロプ形状の影響は、それほど大きくないと考えられる。
【０１５０】
本実施例の流速センサにおいては、流体の流速に対する感度が１０ｍ／ｓあたり数十Ｈｚと、良好な結果が得られた。
【符号の説明】
【０１５１】
１    流速センサ
２    流速センサパッケージ
１０ｄ  ダイアフラム
１１    基板
１１ｂ  柱状構造体
１２    ＳｉＯ２膜
１３    Ｓｉ膜
２０    圧電薄膜素子
２１    下部電極
２２    圧電薄膜
２３    上部電極
３０    検知電極
３１    流速検知電極
３２ｘ，３２ｙ  方位検知電極
５１    プリント基板
５２    ハンダボール
５３    交流電源
５４    検知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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