(57)【要約】【課題】歩留まりがよく、製造が簡単かつ効率の良い圧電変換器を提供する。【解決手段】圧電材料素子２２とチャンバダイヤフラム１０との間に設けられたメサ１２構造を利用する圧電変換器１の動作システム及び方法である。上記システムは、チャンバダイヤフラム１０に対する正味の動きが、各圧電ダイヤフラム１０における電荷の合計に等しい正味の電荷を生じさせるセンサとして使用できる。あるいは、上記システムを、印加された電圧が圧電材料素子２２及びチャンバダイヤフラム１０の動きを生じさせるアクチュエータとしても使用できる。【選択図】図１
2004198421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電変換器であって、
ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、
ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面がチャンバダイヤフラムの第１表面に近接して設けられるメサと、
ｃ）メサの第２表面に近接し、所与の圧電材料素子幅を有する圧電材料素子と、
を含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電変換器において、メサは、メサの第２表面上の少なくとも一部に絶縁層をさらに含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電変換器であって、圧電材料素子とメサの第２表面との間の少なくとも一部に設けられる電気的接触層をさらに含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電変換器において、圧電材料素子幅はメサ幅より大きいことを特徴とする圧電変換器。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電変換器であって、チャンバダイヤフラムの第２表面に近接して、第２圧電材料素子幅を有する第２圧電材料素子をさらに含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電変換器であって、第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与の第２メサ厚さと、所与の第２メサ幅とを有し、第２圧電材料素子とチャンバダイヤフラムの第２表面との間に配置される第２メサをさらに含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項７】
圧電変換器であって、
ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、
ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面が前記チャンバダイヤフラムの第１表面に近接するメサと、
ｃ）メサの第２表面に近接し、所与の圧電材料素子幅を有する圧電材料素子と、
ｄ）チャンバダイヤフラムとメサとの間に設けられた電気的相互接続層と、
を含むことを特徴とする圧電変換器。
【請求項８】
圧電変換器であって、
ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、
ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面がチャンバダイヤフラムの第１表面に近接するメサと、
ｃ）第１及び第２の圧電材料素子であって、各素子が所与の圧電材料素子幅を有し、第１圧電材料素子はメサの第２表面に近接し、第２圧電材料素子はチャンバダイヤフラムの第２表面に近接する、第１及び第２の圧電材料素子と、
を含むことを特徴とする圧電変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、“Product and Process for Bonding Porous Materials to Substrate”の表題を有する米国仮特許出願第６０／４３３，５１０号（２００２年１２月１３日出願、発明者：ビューラー及びリトー（Buhler and Littau））、“Product and Process for Bonding Porous Materials to Substrate”の表題を有する米国仮特許出願第６０／４３３，５１５号（２００２年１２月１３日出願、発明者：ビューラー及びリトー（Buhler and Littau））及び“Piezoelectric Transducers and Methods of Manufacture”の表題を有する米国仮特許出願第６０／４３３，５１２号（２００２年１２月１３日出願、発明者：ビューラー、リトー及びフィッチ（Buhler, Littau and Fitch））の優先権を主張する。これらの出願の開示内容は本願明細書の一部としてここに援用される。
【０００２】
本発明は、一般に圧電変換器に関し、より詳細には、センサ、アクチュエータとして、または流体吐出の用途に使用できる、改良された圧電ダイヤフラム及びその製造方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
圧電変換器は多くの用途がある。特に、圧電ダイヤフラムは、圧力センサとして、オーディオ機器のスピーカにおいて、また流体吐出及びポンピング及びプリンティングの用途にも利用されている。圧電変換器の動作の基本原理は以下のとおりである。電極を有する圧電材料をダイヤフラム材料の片面または両面に接着又は付着させ、圧電駆動ダイヤフラムを形成する。圧電材料を片面にのみ有するダイヤフラムはユニモルフダイヤフラムと呼ばれ、両面に圧電材料を有するダイヤフラムはバイモルフダイヤフラムと呼ばれる。圧電変換器は２つのモードで利用できる。
【０００４】
第１のモードでは、電極に電圧又は電荷を印加し、これにより圧電材料に電界が発生する。この電界が圧電材料中に歪みを起こし、圧電材料はダイヤフラムとともに動く。第１のモードは流体吐出の用途やオーディオ機器における用途で非常に有用である。いずれの用途にも、圧電ダイヤフラムを有効な方法で振動させることができる。その結果、前者の場合、流体をチャンバから吐出させる力を供給し、後者の場合、スピーカのダイヤフラムが振動して音を再生する。
【０００５】
第２の動作モードは第１モードの逆である。すなわち、圧電ダイヤフラムに力、圧力または変位を加え、これによりダイヤフラムを圧電材料とともに屈曲させたり動かしたりする。ダイヤフラムが圧電材料とともに物理的に動くことにより、圧電材料の分極が生じ、電極がそれに対応して荷電される。これにより、ダイヤフラムをセンサとして利用できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらのすべての用途において、圧電変換器の効率は、その製造コストと同様に重要である。効率とコストのトレードオフはこのようなシステムの製造において頻繁に行われる。例えば、製造における潜在的な位置合わせずれの問題を補償するために、厳密に必要とされるよりも大きい圧電材料素子を使用する場合がある。ところが、大きい圧電材料素子を使用すると、結果的に圧電変換器の性能が劣る可能性がある。したがって、良好な歩留まりで簡単に製造でき、可能な限り最良の効率特性を有する圧電変換器が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
圧電材料を取り付けるためのメサ構造を利用する圧電変換器が提供される。簡単に述べると、本発明の１態様によれば、その上面に近接するメサを有するチャンバダイヤフラムと、メサの上面に近接する圧電材料素子とを有する圧電変換器が提供される。
【０００８】
本発明に係る圧電変換器は、ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面がチャンバダイヤフラムの第１表面に近接して設けられるメサと、ｃ）メサの第２表面に近接し、所与の圧電材料素子幅を有する圧電材料素子と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る圧電変換器において、メサは、メサの第２表面上の少なくとも一部に絶縁層をさらに含むことが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る圧電変換器において、圧電材料素子とメサの第２表面との間の少なくとも一部に設けられる電気的接触層をさらに含むことが好ましい。
【００１１】
また、圧電材料素子幅はメサ幅より大きいことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る圧電変換器において、チャンバダイヤフラムの第２表面に近接して、第２圧電材料素子幅を有する第２圧電材料素子をさらに含むことが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る圧電変換器において、第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与の第２メサ厚さと、所与の第２メサ幅とを有し、第２圧電材料素子とチャンバダイヤフラムの第２表面との間に配置される第２メサをさらに含むことが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る圧電変換器は、ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面が前記チャンバダイヤフラムの第１表面に近接するメサと、ｃ）メサの第２表面に近接し、所与の圧電材料素子幅を有する圧電材料素子と、ｄ）チャンバダイヤフラムとメサとの間に設けられた電気的相互接続層と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る圧電変換器は、ａ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のチャンバダイヤフラム厚さと、所与のチャンバダイヤフラム幅とを有するチャンバダイヤフラムと、ｂ）第１及び第２の互いに反対側の表面と、所与のメサ厚さと、所与のメサ幅とを有するメサであって、メサの第１表面がチャンバダイヤフラムの第１表面に近接するメサと、ｃ）第１及び第２の圧電材料素子であって、各素子が所与の圧電材料素子幅を有し、第１圧電材料素子はメサの第２表面に近接し、第２圧電材料素子はチャンバダイヤフラムの第２表面に近接する、第１及び第２の圧電材料素子と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る圧電変換器によれば、圧電変換器の製造容易性及び効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を参照すると、チャンバ支持構造３４を備えるチャンバ１６の上にチャンバダイヤフラム１０を有する圧電変換器１が示されている。なお、チャンバダイヤフラム１０及び圧電材料素子２２の形状は例示の目的でのみ示されるもので、多くの変更が可能である。
【００１８】
チャンバダイヤフラム１０は、チャンバダイヤフラム幅Ｗｃとチャンバダイヤフラム厚さTｃとを有する。チャンバダイヤフラム１０は、種々の材料、例えば金属、シリコン、サファイア、水晶、プラスチック及び他の実質的に導電性、非導電性及び半導電性の材料で形成できる。チャンバダイヤフラム１０は、メサ幅Wm及びメサ厚さＴｍを有するメサ１２によって、その１つの表面が少なくとも部分的に覆われている。メサ幅Wmはチャンバダイヤフラム幅Ｗｃより小さく示されているが、メサ幅Ｗｍは、チャンバ幅Ｗｃの約５０％から、チャンバ幅Ｗｃの約１５０％まで変化してもよい。ただし、チャンバ幅Ｗｃの約６０％から約１００％までの間でより優れた性能が得られる。
【００１９】
メサ１２の１つの表面は、接着材１４によってその表面に結合される圧電材料素子２２を有する。あるいは、圧電材料素子２２をはんだ、薄い膜のエポキシなどを用いて取り付けてもよい。圧電材料素子２２は、圧電材料幅Ｗａを有する。圧電材料幅Ｗａは、メサ幅Ｗｍとチャンバダイヤフラム幅Ｗｃのいずれよりも大きく示されているが、圧電材料幅Ｗａは種々のサイズにすることが可能であり、プロセスパラメータ及び最終的な機能に対して最適化される。例えば、センサを構成する場合には、圧電材料幅Ｗａはチャンバダイヤフラム幅Ｗｃ対して小さいのが望ましい場合もある。また、場合によっては、圧電材料幅Ｗａをメサ幅Ｗｍより小さくすることもできる。
【００２０】
メサ幅Ｗｍは、圧電材料幅Ｗａがメサ幅Ｗｍより大きい場合に圧電材料の有効な取付端を提供する。すなわち、圧電材料幅Ｗａがメサ幅Ｗｍより大きくても、チャンバダイヤフラム１０は、圧電材料素子２２がメサ幅Ｗｍに等しい圧電材料幅Ｗａを有するかのように圧電材料素子２２に対して反応する。したがって、圧電材料素子２２がメサ１２より大きくメサ１２の上に張り出している限り、圧電材料素子２２の実際の形状及び大きさにかかわらず、圧電材料素子２２の有効取付周長及びサイズは、メサ１２の周長及びサイズに定められる。
【００２１】
メサ１２は、種々の材料、例えばチャンバダイヤフラム１０に対して用いられると同じ材料、酸化物、窒化物、ポリイミド及び他の実質的に絶縁性の材料、金属及び他の実質的に導電性の材料、及び他の材料の中では特にセラミックで形成できる。メサの厚さは、メサ１２及びチャンバダイヤフラム１０が圧電材料素子２２によって曲げられる限り、任意の大きさにすることができる。圧電材料幅Ｗａがメサ幅Ｗｍより大きい場合に選ばれる最小のメサ厚さＴｍは、メサ１２と絶縁層４０と電気的相互接続層１８との厚さの合計が、絶縁層４０と電気的相互接続層１８と誘電層２０との厚さの合計より大きくなるようにすべきである。これにより、圧電材料素子２２がメサ１２の表面上にのみそのまま接触し、誘電層２０の上部には接触しないことが保証される。特定の用途に対するメサの厚さＴｍは、性能及び製造容易性の制約によって決定する。メサ厚さＴｍがチャンバダイヤフラム厚さＴｃの約１０％より大きい場合、圧電材料素子２２にはさらなる機械的な利点が与えられる。これは、圧電材料素子２２がダイヤフラム１０の中立面Ｎからより遠く隔てられているほど、圧電材料素子２２の伸縮がチャンバダイヤフラム１０に、より大きい曲げモーメントを生成するためである。中立面Ｎとは、ダイヤフラム１０及びメサ１２などの隣接構造の内部における、せん断応力がゼロを通過する表面として定義される。すなわち、せん断応力は、中立面Ｎの片側において圧縮力を有し、他方の側において引張力を有する。許容可能な性能特性を提供する、チャンバダイヤフラム１０、メサ１２及び圧電材料素子２２の寸法と属性の多くの組み合わせが可能である。
【００２２】
メサ１２と圧電材料素子２２との間には、絶縁層４０と電気的相互接続層１８とが設けられている。実施の形態によっては、絶縁層４０は必要でない場合もあり、省かれることもある。実質的に導電性の、チャンバダイヤフラム１０及びメサ１２を電気的接触層として用いる実施の形態の場合には、絶縁層４０と追加的な電気的相互接続層１８の両方を省いてもよい。あるいは、チャンバダイヤフラム１０かメサ１２のいずれかのみが実質的に導電性であれば、電気的相互接続層１８または絶縁層４０の両方または一方の選択部分を省いてもよい。絶縁層４０は、チャンバダイヤフラム１０を、電気的相互接続層１８上を搬送されるいかなる電気信号からも、必要であれば、絶縁するために用いられる。
【００２３】
チャンバダイヤフラム１０及びチャンバダイヤフラム支持構造３４は、適当な剛性と強度と製造容易性を有する任意の材料から形成できる。よく知られているパラメータ、例えば機械的弾性率及びポアソン比によって測定されるところの材料の剛性は、チャンバの体積変化当たりの圧力変化によって測定される、チャンバの剛性などのデザイン目標を最良に達成すべく、所与の用途に対して選択される。例えば、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、ステンレス鋼または二酸化シリコン等がダイヤフラムとして一般的に用いられる。ただし、他の材料、例えばプラスチック、金属、例えばアルミニウム及びニッケルなど、ガラスまたはエポキシ樹脂も使用できる。チャンバダイヤフラムは２つの表面、すなわちチャンバ１６に面するチャンバダイヤフラム下面３６と、チャンバダイヤフラム下面３６の反対側でメサ１２に面するチャンバダイヤフラム上面３８とを有する。
【００２４】
圧電材料素子２２は、本質的に強誘電性または電歪性の任意の材料、または材料中の電界が変化すると物理的な寸法が変化する任意の材料から形成できる。例えば、種々のセラミック材料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、マグネシウムニオビウムチタン酸鉛（ＰＭＮＰＴ）、または結晶性材料、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、水晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ２）などが使用できる。これらの材料はいずれも、本質的に多結晶体または単結晶の形で使用できる。また、重合体材料、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びその共重合体または他の重合体を使用してもよい。
【００２５】
圧電材料素子２２をメサ１２に取り付けるための接着材１４は、十分な結合強度及び製造特性、例えば粘性、表面濡れ性などを有する種々のいかなる接着材でもよい。その例として、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂などがある。なお、接着材１４は、メサ１２と圧電材料素子２２との間には非常に薄い残留層を形成するが、圧電材料素子２２がメサ１２を超えて延びる圧電材料素子２２の端部の下方に厚い緩衝物を形成する。圧電材料２２の弾性率の約５分の１より小さい弾性率を有する接着材は、メサ１２を超えて延びる圧電材料素子２２の任意の部分をチャンバダイヤフラム１０に衝撃を与えることなく自由に撓むことを可能にして、メサ幅Ｗｍに等しい圧電材料素子２２の有効幅を提供するようにメサ１２と共に作用する。
【００２６】
電気的相互接続層１８は、圧電材料素子２２との電気的な接触を形成するためのものである。電気的相互接続層１８は、当業界で周知の広範囲にわたる導電性材料で形成できる。例えば、ニッケル、アルミニウム、銅、チタン合金、またはＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などが使用できるが、十分な導電性を有する他の材料を使用してもよい。
【００２７】
圧電材料素子２２との電気的接触のための電気的接触子３２がさらに示されている。電気的接触子３２は、当業界で周知の多種にわたる導電性材料、例えば図１に示されるようなワイヤボンドなどから形成できる。例えば、アルミニウム、銅、金及びニッケルを使用できるが、十分な導電性を有する他の材料を用いてもよい。
【００２８】
圧電材料素子２２と、電気的接触子３２及び電気的相互接続層１８の両方の電気的接触を助けるため、圧電材料素子２２は互いに反対側の表面に２つの電気的接触層４２，４４を含む。２つの電気的接触層４２，４４は、圧電材料素子２２に密接に接触する導電性層である。電気的接触層４２，４４も、上述のような当業界で周知の多種にわたる導電性材料から形成できる。
【００２９】
図１には、メサ１２及び圧電材料素子２２がチャンバダイヤフラム上面３８に取り付けられた圧電変換器１が示されたが、チャンバダイヤフラム下面３６に取り付けられたメサ１２及び圧電材料素子２２とを使用して同等の構造が構成できる。
【００３０】
図２には、チャンバ支持構造３４を備えるチャンバ１６の上にチャンバダイヤフラム１０を有する圧電変換器１の別の実施形態が示されている。なお、チャンバダイヤフラム１０及び圧電材料素子２２の形状は例示の目的でのみ示されており、多くの変更が可能である。図１に対して、図２は、２つの圧電材料素子２２，６０を支持する２つのメサ１２，６２を、１つはチャンバダイヤフラムの上面３８に、もうひとつはチャンバダイヤフラムの下面３６に有するバイモルフ構造を示している。図２における素子の多くは図１に示されるものと同じであり、同様の要素には同一符号を付してある。
【００３１】
チャンバダイヤフラム１０は、チャンバダイヤフラム幅Ｗｃ及びチャンバダイヤフラム厚さＴｃを有する。チャンバダイヤフラム１０は、メサ幅Ｗｍ及びメサ厚さＴｍ１を有するメサ１２によって少なくとも部分的にチャンバダイヤフラム上面３８上を覆われており、さらに、メサ幅Ｗｍ及びメサ厚さＴｍ２を同様に有するメサ６２によって少なくとも部分的にチャンバダイヤフラム下面３６上を覆われている。メサ幅Ｗｍはチャンバダイヤフラム幅Ｗｃより小さく示されているが、それぞれのメサ幅Ｗｍは、図１に関して上述したように変更が可能である。また、２つのメサ幅は実質的に同じように示されているが、これらは同じである必要ななく、互いにかなり異なってもよい。
【００３２】
メサ１２には、接着材１４によって圧電材料素子２２が結合され、メサ６２には、接着材６８によって圧電材料素子６０が結合されている。圧電材料素子２２は圧電材料幅Ｗａ１を有し、圧電材料素子６０は圧電材料幅Ｗａ２を有する。圧電材料幅Ｗａ１，Ｗａ２は、いずれのメサ幅Ｗｍよりも大きく示され、圧電材料素子２２の幅Ｗａ１は、チャンバダイヤフラム幅Ｗｃより大きい。圧電材料幅Ｗａ１，Ｗａ２は異なるように示されているが、これらは実質的に同じでもよい。圧電材料幅Ｗａ１，Ｗａ２はさまざまなサイズにすることができ、プロセスパラメータ及び最終的な機能に対して最適化される。図１に関して上述したのと同様に、圧電材料幅Ｗａ１，Ｗａ２がメサ幅Ｗｍより大きい場合、メサ幅Ｗｍは、圧電材料素子２２，６０の有効な取付端を決定する。
【００３３】
メサ１２，６２は、図１に関して上述したような種々の材料から形成できる。メサの厚さは、メサ１２，６２とチャンバダイヤフラム１０とが圧電材料素子２２，６０によって曲げられる限り、任意の大きさにすることができる。圧電材料幅Ｗａ１がメサ幅Ｗｍより大きい場合、メサ１２の最小メサ厚さＴｍ１は、メサ１２と絶縁層４０と電気的相互接続層１８との厚さの合計が、絶縁層４０と電気的相互接続層１８と誘電層２０との厚さの合計より大きくなるように選択されなければならない。これにより、圧電材料素子２２がメサ１２の表面上にのみそのまま接触し、誘電層２０の上部には接触しないことが保証される。圧電材料幅Ｗａ１がメサ幅Ｗｍより大きくない場合には、メサ厚さＴｍ２及びメサ厚さＴｍ１には最小限度はない。１つのメサのみをチャンバダイヤフラム１０の表面の一方、すなわちチャンバダイヤフラム上面３８かチャンバダイヤフラム下面３６のいずれかに使用し、つまりメサ厚さＴｍ１またはメサ厚さＴｍ２のいずれかをゼロに等しく設定して、圧電変換器１を図２に示されるようなバイモルフ構造に構成することができることに注意すべきである。特定の用途に使用されるメサの厚さＴｍ１，Ｔｍ２は、性能及び製造容易性の制約によって決定する。なお、メサ厚さＴｍ１とＴｍ２は実質的に同じに示されているが、これらは同じである必要ななく、互いにかなり異なっていてもよい。メサ厚さＴｍ１，Ｔｍ２のいずれかまたは両方がチャンバダイヤフラム厚さＴｃの約１０％より大きい場合、圧電材料素子２２，６０のそれぞれにはさらなる機械的な利点が与えられる。これは、圧電材料素子２２，６０がダイヤフラム１０の中立面Ｎから遠くに隔てられているほど、圧電材料素子２２の伸縮がチャンバダイヤフラム１０に、より大きい曲げモーメントを生成するためである。許容可能な性能特性を提供する、チャンバダイヤフラム１０、メサ１２，６２及び圧電材料素子２２，６０の寸法と属性の多くの組み合わせが可能である。
【００３４】
メサ１２，６２とそれぞれの圧電材料素子２２，６０との間には、絶縁層４０，６４と電気的相互接続層１８，６６とがそれぞれ設けられている。実施の形態によっては、絶縁層４０，６４は必要でない場合もあり、省かれることもある。導電性のチャンバダイヤフラム１０及びメサ１２，６２の少なくとも一方を電気的接触層として用いる実施の形態の場合には、それぞれの絶縁層４０，６４と追加的な電気的相互接続層１８，６６の両方を省いてもよい。あるいは、チャンバダイヤフラム１０またはメサ１２，６０の少なくとも一方のみが導電性であれば、それぞれの電気的相互接続層１８，６６または絶縁層４０，６４についての選択部分を省いてもよい。絶縁層４０，６４は、チャンバダイヤフラム１０を、電気的相互接続層１８，６６に搬送されるいかなる電気信号からも、必要であれば、絶縁するために用いられる。ここで、絶縁層６４と４０は同じ材料で形成する必要はない。
【００３５】
チャンバダイヤフラム１０及びチャンバダイヤフラム支持構造３４は、図１に関連して上述した種々の材料で形成できる。
【００３６】
圧電材料素子２２，６０は、図１に関連して上述したような、本質的に強誘電性または電歪性の任意の材料、または材料中の電界が変化すると物理的な寸法が変化する任意の材料から形成できる。なお、圧電材料素子２２，６０は同じ材料で形成する必要はない。
【００３７】
圧電材料素子２２，６０をそれぞれのメサ１２，６２に取り付けるための接着材１４，６８は、図１に関連して上述したような、十分な結合強度及び製造特性、例えば粘性、表面濡れ性などを有するいかなる種々の接着材でもよい。
【００３８】
電気的相互接続層１８，６６は、圧電材料素子２２，６０との電気的な接触を形成するためのものである。電気的相互接続層１８，６６は、当業界で周知であり、かつ図１に関連して上述した広範囲にわたる導電性材料で形成できる。なお、電気的相互接続層１８，６６は同じ材料で形成する必要はない。
【００３９】
圧電材料素子２２，６０との電気的接触のための電気的接触子３２，７４がさらに示されている。電気的接触子３２，７４は、当業界で周知の、かつ図１に関連して上述した多種にわたる導電性材料から形成できる。ここでも、電気的接触子３２，７４は同じ材料を使用して形成する必要はない。
【００４０】
圧電材料素子２２，６０と、それぞれの電気的接触子３２，７４及び電気的相互接続層１８，６６との電気的接触を助けるため、圧電材料素子２２，６０は各互いに反対側の表面にそれぞれ２つの電気的接触層４２，４４，７０，７２を含む。各２つの電気的接触層４２，４４，７０，７２は、圧電材料素子２２，６０に密接に接触する、あらかじめ付着した導電性層である。電気的接触層４２，４４，７０，７２も、当業界で周知であり、図１に関連して上述した多種にわたる導電性材料から形成できる。ここでも、電気的接触層４２，４４，７０，７２をすべて同じ材料で形成する必要はない。
【００４１】
図３及び図４は、動作状態にある圧電変換器１を示している。これらの図には、図１に示される実施形態が示されているが、動作原理は当業界で周知のように、図２に示される他の実施形態にも適用される。説明を簡単にするために、動作状態についていくつかの仮定がなされている。例えば、分極ベクトルＶが圧電材料素子２２に示され、ある電圧及び荷電状態が示されている。電圧状態も反転させる必要があるが、分極ベクトルＶが反転してもシステムは動作可能であることに注意すべきである。また、電気的相互接続層１８は接地に接続されて示されている。電気的相互接続層１８が接地に接続される必要はなく、接地は電気的接触層１８と電気的接触子３２との電圧差の説明を簡単にするために使用されているだけであることに注意すべきである。換言すれば、電気的接触層１８と電気的接触子３２との相対的な電圧差が維持される限り、どのような任意のオフセット電圧を使用してもよい。
【００４２】
図３は、正電圧が電気的接触子３２に印加されている状態を示している。この結果、圧電材料素子２２の上面に正味の正電荷ｑ＋が生成され、圧電材料素子２２を横切って電界が生成される。メサ１２の面内における圧電材料素子２２の伸張によって引き起こされる圧電材料素子２２の上面の正味の上向きの動きで圧電材料素子２２が応答し、ユニモルフ構造が湾曲する。チャンバダイヤフラム１０、電気的相互接続層１８、絶縁層４０及びメサ１２も同様に上向きに撓む。比較のため、直線Ｌは、電圧が印加されないときの、チャンバダイヤフラム下面３６の以前の位置を示している。圧電材料素子２２内部の電界強度が、圧電材料素子２２の保持電界（coercive field）の約３分の１未満に維持されている限り、圧電材料素子２２は電気的接触子３２に印加される正電圧の量にほぼ線形に反応する。電圧が高いほど上向きの動きが大きくなり、電圧が小さいほど上向きの動きは小さくなる。電界強度が保持電界の約３分の１を超えると、圧電材料素子２２は非線形の反応を示し始め、圧電材料素子２２の分極は経時的に低下する。使用される特定の電圧は、システム機能、使用される圧電材料の特性、その厚さ、チャンバダイヤフラム１０の特性、及びメサ１２の特性に依存する。
【００４３】
逆に、もし装置をセンサとして使用しようとする場合には、チャンバダイヤフラム下面３６への正の圧力の印加が絶縁層４０、電気的相互接続層１８、メサ１２及び圧電材料素子２２とともにチャンバダイヤフラム１０の上向きの撓みを引き起こす。圧電材料素子２２の上向きの撓みは、圧電材料素子２２の上面に正味の負電荷を生じさせる。この正味の負電荷は、例えば電圧計などの従来の任意の方法で決定することができ、特定の正の圧力に関連づけることができる。
【００４４】
図４は、負電圧が電気的接触子３２に印加されている状態を示している。この結果、圧電材料素子２２の上面に正味の負電荷ｑ−が生成され、圧電材料素子２２を横切って電界が生成される。メサ１２の面内における圧電材料素子２２の収縮によって引き起こされる、圧電材料素子２２の上面の正味の下向きの動きで圧電材料素子２２が応答し、ユニモルフ構造が湾曲する。チャンバダイヤフラム１０、電気的相互接続層１８、絶縁層４０及びメサ１２も同様に下向きに撓む。比較のため、直線Ｌは、電圧が印加されないときの、チャンバダイヤフラム下面３６の以前の位置を示している。圧電材料素子２２内部の電界強度の大きさが、圧電材料素子２２の保持電界の約３分の１未満に維持されている限り、チャンバダイヤフラム１０は電気的接触子３２に印加される負電圧の大きさにほぼ線形に反応する。負電圧が大きいほど下向きの動きが大きくなり、負電圧が小さいほど下向きの動きは小さくなる。電界強度の大きさが保持電界の大きさの約３分の１を超えると、圧電材料素子２２は非線形の反応を示し始める。使用される特定の電圧は、システム機能、使用される圧電材料の特性、その厚さ、チャンバダイヤフラム１０の特性、及びメサ１２の特性に依存する。
【００４５】
逆に、装置をセンサとして使用しようとする場合には、チャンバダイヤフラム下面３６への、環境圧に対する、負の圧力の印加が、ダイヤフラム絶縁層４０、電気的相互接続層１８、メサ１２及び圧電材料素子２２とともにチャンバダイヤフラム１０の下向きの撓みを引き起こす。圧電材料素子２２の下向きの撓みは、圧電材料素子２２の上面に正味の正電荷を生じさせる。ここでも、この正味の正電荷は、例えば電圧計などの従来の任意の方法で決定することができ、特定の負の圧力に関連付けることができる。
【００４６】
上記の構造は、多くの周知の処理技術を使用してさまざまな方法で形成できる。以下の説明がそのような製造技術に依存する限り、別の製造技術の一部も含まれる。ここに記載されるすべての処理技術があらゆる実施形態に適用できるわけではなく、実施形態によっては特定の方法で構成するのが好ましいものもあることに注意すべきである。
【００４７】
チャンバ１６を形成するチャンバダイヤフラム１０及びチャンバ支持構造３４を最初に構成することができる。この場合、多くの方法が可能である。１つの方法は、適当なパターンに化学的エッチングされたステンレス鋼の部品のスタックを積層する。スタックは、周知の蝋付け処理を用いて積層できる。あるいは、スタックを構成する前にチャンバダイヤフラム上の構造の一部またはすべてを前処理するのも効果的である。
【００４８】
あるいは、チャンバダイヤフラム１０及びチャンバ１６を取り囲む構造を、シリコン単結晶材料（ドープされたもの、ドープされないもののいずれも）、サファイア、水晶またはエッチング可能な他の材料で形成することができる。チャンバ１６をエッチングでくりぬいて形成する１つの単純な処理では、エッチングストップとして作用するその上面がチャンバダイヤフラム１０となる。例えば、高密度にドープした（heavily doped）シリコン、酸化物、または窒化物を使用することができる。続いて、化学的エッチング剤を使用し、バルク材からチャンバ１６をエッチングする。このとき、エッチングを確かなものとするためにエッチングストップ材料を用いこれが残って、チャンバダイヤフラム１０を形成する。さらに、任意の数のプラスチック材料またはプラスチック合成物またはエポキシ樹脂を用いて、チャンバダイヤフラム１０及びチャンバ１６を取り囲む構造を打ち抜いてもまたは成形してもよい。
【００４９】
チャンバダイヤフラム１０及びチャンバ支持構造３４の材料を選択する際の基準は、最終的な構造物が使用される環境に適した材料であること、製造が簡単であること、後続の処理ステップに対して適当であること、及び機械的弾性率及びポアソン比の特性によって一般に記載される適当な剛性を有することである。特に、チャンバダイヤフラム１０の剛性は、使用される圧電材料素子の剛性特性と同様でなければならない。値がばらつくと性能が幾分低下する可能性があるが、圧電材料素子に対して１００分の１から１００の剛性の比が使用できることに注意すべきである。
【００５０】
メサは種々の方法で形成できる。もし、メサを選択的にエッチング可能な材料、特に例えば誘電材料、金属、酸化物、窒化物、ポリイミド及びセラミックで形成しようとする場合は、誘電材料または他の材料を、任意の知られた付着技術、例えばＣＶＤ堆積法、スパッタリング、またはスピンコーティング及びキュアによって堆積させてもよい。このような材料が堆積されると、標準的なフォトリソグラフィ及びエッチング処理によってメサを形成できる。もしメサに使用される材料が感光性、例えばポリイミドやＳＵ−８材料などであれば、周知のフォトリソグラフィック処理によってパターンニングが可能であり、エッチングの必要はない。
【００５１】
次に、周知の薄膜堆積技術、例えばＣＶＤ堆積法、スパッタリング、またはスピンコーティング及びキュアなどの任意の技術を使用し、チャンバダイヤフラムに絶縁層を堆積させる。そして、標準的なフォトリソグラフィ及びエッチング処理を用いて絶縁層をパターニングする。
【００５２】
続いて、種々の従来技術のいずれか１つ、例えばスパッタリング、蒸着、またはメッキ処理により電気的相互接続層を堆積させる。もし電気的相互接続層がパターニングが必要な層であるときは、その表面の絶縁層及び他の層を、電気的相互接続層の堆積に先立ってマスクしてもよいし、または標準的なフォトリソグラフィ及びエッチング処理により、電気的相互接続層を堆積後にマスクしてエッチングしてもよい。
【００５３】
次に、誘電層を、任意の知られた薄膜堆積技術、例えばＣＶＤ堆積、スパッタリング、またはスピンコーティング及びキュアによって電気的相互接続層及び他の表面層上に堆積させる。その後、誘電層を標準的なフォトリソグラフィ及びエッチング処理によってパターニングできる。
【００５４】
次に、圧電材料素子を取り付ける。圧電材料素子は、かかる部品を製造する種々のメーカより購入できる。もしメーカが電気的接触層のための導電性材料を圧電材料素子の両面に設けていないときには、圧電材料素子の取り付けに先立ち導電性材料層を設ける必要がある場合もある。これらの導電性層は、真空堆積法、メッキ処理、表面へのスクリーン印刷及び焼成、などの周知処理技術のいずれかを用いて形成できる。その後、圧電材料素子を、素子をメサの表面に接着する標準的な液体またはＢステージのエポキシ樹脂、はんだ、薄い膜のエポキシ樹脂などによって、メサに取り付けることができる。
【００５５】
最後に、電気的接触子を形成する。電気的接触子は、種々の知られた技術、例えばワイヤボンディング、ファズボタン(fuzz buttons)またはばね接触子によって形成できる。
【００５６】
もし圧電材料素子が取り付けに先立って分極処理がなされていない場合には、装置の構成が完了後、電気的接触子及び電気的相互接続層を圧電材料素子の分極処理のために用いることができる。もし圧電材料素子の分極処理が構成の完成後に行われるときは、構成自体を非導電性流体、例えば特定オイルまたはフッ化炭化水素に浸し、分極処理中の放電を防ぐことが必要な場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態の圧電変換器を示す断面図である。
【図２】他の実施の形態の圧電変換器を示す断面図である。
【図３】本発明に係る実施の形態における圧電変換器の第１の動作状態を示す断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態における圧電変換器の第２の動作状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  圧電変換器、１０  チャンバダイヤフラム、１２，６２  メサ、１４，６８  接着材、１６  チャンバ、１８，６６  電気的相互接続層、２０  誘電層、２２，６０  圧電材料素子、３２，７４  電気的接触子、３４  チャンバ支持構造、３６  チャンバダイヤフラム下面、３８  チャンバダイヤフラム上面、４０，６４  絶縁層、４２，４４，７０，７２  電気的接触層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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