(57)【要約】  本発明は、キャリア基板、ならびにそのキャリア基板上に配置された強誘電体層を備え、強誘電体層の誘電率を読み出すための手段を有するセンサ装置に関する。このセンサ装置は、強誘電体層が結晶としてキャリア基板上に配置されていることを特徴とする。このセンサ装置の製造法およびその使用を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア基板、ならびにそのキャリア基板上に配置された強誘電体層を備え、強誘電体層の誘電率を読み出すための手段を有するセンサ装置であって、強誘電体層が結晶としてキャリア基板上に配置されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
可撓性のキャリア基板を特徴とする、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
キャリア基板材料としてのシリコンもしくはＡｌ２Ｏ３、またはポリイミドもしくは金属を特徴とする、請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ５ＧｅＯ１１、Ｅｕ２（ＭｏＯ４）３、ＰｂＴａ２Ｏ６、ＫＮｂＯ３、ＳｒＴｅＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３またはこれら材料の組み合わせからの強誘電体材料を特徴とする、請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
室温よりも低い転移温度を有する材料からの強誘電体層がキャリア基板上に配置されており、そのため、圧力が、強誘電体層の結晶格子に引張応力を生じることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のセンサ装置。
【請求項６】
室温よりも高い転移温度を有する強誘電体材料がキャリア基板上に配置されており、そのため、圧力が、結晶格子に圧縮応力を生じることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載のセンサ装置。
【請求項７】
室温よりも高い転移温度を有する強誘電体材料がキャリア基板の片側に、および室温よりも低い転移温度を有する強誘電体材料がキャリア基板の反対側に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載のセンサ装置。
【請求項８】
物理蒸着、化学蒸着、化学溶液析出、または電気泳動析出によって、強誘電体材料を結晶としてキャリア基板上に配置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載のセンサ装置を製造する方法。
【請求項９】
センサ装置に対して垂直に加えられる機械的力が、可逆的に、強誘電体層における分極性の変化を生じ、この力が減衰した後、強誘電体層の分極性が再び初期状態に移行する、圧力センサまたは曲げセンサとしての、請求項１〜８のいずれか一つに記載のセンサ装置の使用。
【請求項１０】
強誘電体層の転移温度における圧力の測定を特徴とする、請求項９に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア基板および強誘電体層からなるセンサ装置、ならびにその配置の製造方法および使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁性分極性材料、いわゆる誘電体においては、外部電界Ｅ（Ｖｍ−１）により分極Ｐｉ（Ａｓｍ−２）が誘導され得ることが公知である。誘電体のうち、圧電材料においては、外部電界に加えて、圧力、張力、またはねじれによって引き起こされる外部からの機械的変形もまた、材料の電荷移動、それゆえ電気分極を引き起こす。その際、変形により、陽性および陰性の格子成分が、電気双極子モーメントが生じるように移動し、その結果、外見上は中性の結晶の表面に見かけの電荷が誘導される。焦電性という用語は、外部電界の非存在下においても電気双極子モーメントを有する圧電体の材料の総称であって、この電気双極子モーメントは、結晶格子内のひずみおよびそれに伴う電荷重心（Ｌａｄｕｎｇｓｓｃｈｗｅｒｐｕｎｋｔ）の移動に基づいて引き起こされ、その結果結晶の電気分極を生じる。それゆえ、この物質は、電界がなくてもすでに自発的に分極している。最後に、強誘電性という用語は、外部電界の印加により自発分極の方向を変化させる、電気双極子モーメントを有する物質の総称である。材料に依存したキュリー温度を上回ると、この現象は消滅し、その材料は常誘電状態へと移行する。この移行は可逆的である、つまりキュリー温度を下回ると、構造変化を伴う相転移が起こり、この材料は再び誘電状態へと移行する。通常、誘電率は、したがって誘電率の変化も、移行領域の温度で最も大きい。したがって、可逆的な、できる限り大きな誘電率変化は、相転移のすぐ上の温度範囲において達成される。
【０００３】
強誘電体の多数は酸化物である。非常によく知られた強誘電体は、ペロブスカイト構造を有するイオン結晶、例えばＢａＴｉＯ３である。いくつかの材料、例えばＳｒＴｉＯ３は、薄層においてのみ強誘電性を示す。強誘電体層は、本質的には、集積回路および携帯電話技術において使用される。
【０００４】
強誘電体に関する最近の開発［Ｒ．  Ｗｏｅｒｄｅｎｗｅｂｅｒ、Ｅ．  Ｈｏｌｌｍａｎｎ、Ｒ．  Ｏｔｔ、Ｔ．  Ｈｕｅｒｔｇｅｎ、Ｋａｉ  Ｋｅｏｎｇ  Ｌｅｅ  （２００９）．  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ  ｏｆ  ｓｔｒａｉｎｅｄ  ＳｒＴｉＯ３  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  ｓａｐｐｈｉｒｅ．  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍ  ２２：  ３６３〜３６８頁］（非特許文献１）から、強誘電性のＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）からなる薄膜を、エピタキシャル成長、および格子パラメータの借用により、例えば、ＣｅＯ２緩衝化されたサファイア上に固定することが公知である。固定されたＳＴＯの誘電特性は、層上の静電容量によって算出された。
【０００５】
圧力センサおよび曲げセンサの作動原理は、通常は、測定されるべきパラメータの、電気信号への変換に基づく。これは、直接または間接的に起こり得る。圧力センサおよび曲げセンサは、圧力ないしはたわみを直接測定するために、および別のパラメータ、例えば、温度、フロー、または位置を間接的に測定するために使用され得る。
【０００６】
用途、望みの測定精度、およびコストに依存して、例えば、（ピエゾ）抵抗型センサ、圧電型センサ、誘導型センサ、静電容量型センサおよび光学センサが使用される。頻繁にはこれらのセンサの組み合わせが適用され、例えばゴーレイセルにおいてである。
【０００７】
圧電型圧力センサは、極軸を有する結晶内におき、測定されるべき圧力を利用して、電圧を生み出す電荷分離が誘導されることを特徴とする。したがって、圧電効果としても公知のこの状態は、結晶内部における圧力によりイオンの移動を引き起こし、このイオンは、表面において、機械的に加えられた力に比例する電荷を形成する。この電荷は、例えば、増幅器を利用して、これに比例する電圧に変換される。これに対して、ピエゾ抵抗型センサの場合、材料が引張負荷または圧力負荷にさらされる限り、その材料の比抵抗が変化する。この効果は、極軸をもたない結晶、例えば、シリコンのような半導体においても起こる。
【０００８】
圧電型圧力センサ、およびひずみゲージに使用されるピエゾ抵抗型センサ装置の一般的な問題は、これらが比較的複雑に構成されているため高価であるということである。これらのセンサの感度もまた改善を必要とする。
【０００９】
さらに不利であることは、技術的に重要な適用範囲において、焦電性が、本来興味を引く圧電効果を干渉する、妨害的なアーチファクトを頻繁に引き起こすことである。焦電材料からなる圧力センサは、偽りの陽性信号を表示することがあるが、なぜなら、加熱下に、圧力変化が存在しないにもかかわらず信号が現れるからである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｒ．  Ｗｏｅｒｄｅｎｗｅｂｅｒ、Ｅ．  Ｈｏｌｌｍａｎｎ、Ｒ．  Ｏｔｔ、Ｔ．  Ｈｕｅｒｔｇｅｎ、Ｋａｉ  Ｋｅｏｎｇ  Ｌｅｅ  （２００９）．  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ  ｏｆ  ｓｔｒａｉｎｅｄ  ＳｒＴｉＯ３  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｏｎ  ｓａｐｐｈｉｒｅ．  Ｊ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｅｒａｍ  ２２：  ３６３〜３６８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、従来技術からの圧電型センサおよび焦電型センサと比べて上昇した感知性（Ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔａｅｔ）および感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔａｅｔ）を有し、その際特に容易かつ安価に製造可能であるセンサ装置を提供することである。
【００１２】
本発明のもう一つの課題は、そのセンサ装置の製造方法、およびその使用を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は、特許請求項１に記載のセンサ装置、および並列請求項に記載のその製造方法ならびにその使用によって解決される。これらに関する有利な形態は、それぞれ、場合によっては、ここで引用される特許請求項から明らかになる。
【００１４】
センサ装置は、キャリア基板、ならびにそのキャリア基板上に配置された層からなる。その強誘電体層は、キャリア基板上に全面的に配置されていても、または単に周縁部においてキャリア基板により担持されていてもよい。強誘電体層上には、強誘電体層の誘電率を読み出すための手段として、コンデンサ装置が配置されていてもよい。このコンデンサ装置は、強誘電体層に垂直に加えられた正圧または負圧に基づく、この層の電気的特性の読出しに利用される。
【００１５】
別法として、電子的特性を、非接触式に光学測定を利用して、例えば、エリプソメトリにより読み出してもよい。この場合、強誘電体層が、キャリア基板により周縁部においてのみ支持されることが可能である。
【００１６】
強誘電体層は、結晶として形成されている。この層がキャリア基板上で全面的に配置されている場合は、そのキャリア基板が、センサ装置にわずかに作用する圧力に対して柔軟に反応し、たわむことが重要である。その際、キャリア基板の厚さは、１〜５００μｍを有するべきである。
【００１７】
センサ装置に加えられたある圧力は、強誘電体層およびキャリア基板の圧縮または伸長を生じ、これが検出可能な誘電率変化を生じる。強誘電体層は、室温では、基板上において中心対称の結晶配向を有する、ないしはこの配向を自発的にとる、つまり層は誘電状態にある。強誘電体層の厚さは、およそ１〜１０００ｎｍであるべきである。
【００１８】
誘電率を読み出す装置は、強誘電体層に対して垂直に作用する機械的圧力を、層材料の、中心対称格子状態から非中心対称格子状態への移行に基づいて起こる、強誘電体材料の分極性変化を介して検出する。キャリア基板上の強誘電体層の配置、ならびに強誘電体層上の読出し装置の配置、およびキャリア基板の配置に応じて、加えられた圧力は、強誘電体層の圧縮または伸長を生じる。
【００１９】
したがって、本発明によるセンサ装置は、圧力印加により結晶構造が変化する際の、強誘電体結晶の分極性の変化、それゆえ強誘電体結晶の誘電率の変化に基づく。つまり、圧電型センサとは異なり、その原理は、「負電荷に対する正電荷」という電荷移動ではなく、結晶の分極性である。通常は強誘電性ではなく低い誘電率しか示さない中心対称結晶が、変形により、非中心対称結晶に変化する。このことが、誘導された強誘電性に至るまでの、分極性（誘電率）の極端な上昇を生じる。その際、結晶格子パラメータの＜１％の変化において、一桁を上回る誘電率の変化が達成可能である。これにより、有利なことには、センサ装置が非常に高い感度ないしは感知性を有することになる。そうなると、誘電率の変化は、非常に簡単に静電容量式または光学的非接触式に読み出すことができる。センサ装置は、強誘電体層の、変化する分極性に基づいて、機械的力を読み出す。その際、偽陽性結果は、焦電材料の場合とは異なって、事実上起こらない。
【００２０】
本発明に関して、驚くべきことに、エピタキシャルに成長した層のみが、機械的ひずみにより、格子パラメータと異なる基板上で強誘電体層の分極性を生じるのではないということが見出された。むしろ、技術上重要な、センサ装置に対するわずかな圧力ないしは張力が、強誘電体層の明らかな誘電率変化を生じ得るということが認識された。
【００２１】
強誘電体層を適切に選択すると、例えば１０−４％という、格子定数のほんのわずかな変化がすでに、誘電率の測定可能な変化を起こすため、課題は、その誘電率が、例えば、エリプソメータを用いて読み出される、キャリア基板上の結晶質強誘電体層が提供されることによるだけですでに解決される。エリプソメータの光路は、強誘電体層に向けられており、その誘電率の変化を検出する。
【００２２】
言及したように、強誘電体層は、キャリア基板としての薄膜上に蒸着されていてもよい。センサ層としての強誘電体層の誘電率の、検出された変化を利用して、有利なことには、Ｐａ範囲の圧力を検出することができる。当然のことながら、光学読出しユニットを使用する場合にも、例えば、安定性の理由から、強誘電体層を、キャリア基板上において全面的に配置することが可能である。
【００２３】
本発明の一形態では、結晶質材料、例えばシリコンもしくはＡｌ２Ｏ３からなる可撓性フィルム状キャリア基板を、または金属もしくは有機材料、例えば、ポリイミドをキャリア基板として使用する。キャリア材料の選択は、それぞれの用途、およびセンサ層の要求に依存する。フィルムの使用により、高度なひずみが保証される。
【００２４】
強誘電体材料は、好ましくは、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ５ＧｅＯ１１、Ｅｕ２（ＭｏＯ４）３、ＰｂＴａ２Ｏ６、ＫＮｂＯ３、ＳｒＴｅＯ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、またはこれらの組み合わせからなる。これらからの可能な強誘電体の一覧を表１に示す。それぞれの転移温度（キュリー温度）を挙げてある。
【００２５】
【表１】
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これらの材料からなる合金（例えば、（Ｃａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３または（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３）もこれらの系のドープされた酸化物も同様に、強誘電体層を構成するための可能な候補である。その結果、有利なことには、層、さらにはそれぞれの用途に最適に適合する層系さえも選択可能である。
【００２６】
特に有利には、室温よりも低い転移温度を有する材料からなる強誘電体層が、その結晶の電気分極が測定される結晶格子方向において圧力が引張応力を生じるように、キャリア基板上で配置される。その結果、有利なことには、結晶方向での転移温度が上昇し、これが同時に結晶方向における室温での誘電率の上昇を生じる。誘電率は、強誘電性への転移開始領域で非常に著しく上昇するため、この方式できわめて高感度なセンサが生じる。
【００２７】
室温よりも高い転移温度を有する強誘電体材料が、結晶の電気分極が測定される結晶格子方向において圧力が圧縮応力を生じるようにキャリア基板上で配置されることも可能である。その結果、有利なことには、結晶方向での転移温度が低下する。同じく、そのようにして、転移領域での、誘電率が著しく圧力に依存する範囲を利用することができる。
【００２８】
それゆえ、異なるケースを区別することが可能であって、これらのケースを、その被覆側に圧力が作用する、強誘電体層を備える膜における垂直式および平面式の静電容量型測定装置の配置に関し表２で一覧表にまとめる。
【００２９】
【表２】
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センサ装置は、特に有利には、室温よりも高い転移温度を有する強誘電体材料をキャリア基板の片側に有し、室温よりも低い転移温度を有する強誘電体材料をキャリア基板の反対側に有する。それにより、有利なことには、圧縮応力も引張応力も、高感度で検出され得ることになる。
【００３０】
本発明によるセンサ装置の製造法は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（物理蒸着））、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（化学蒸着））または別の蒸着法（ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（化学溶液析出））、ＥＰＤ（電気泳動析出）その種の他のもの）によって、強誘電体材料を結晶としてキャリア基板上に配置し、その強誘電体材料上に、機械的に変形した層の誘電率の変化を介して、加えられた機械的力を検出する少なくとも一つのコンデンサ装置を配置する。別法として、非接触式に、例えば、光学的に、エリプソメトリを介して誘電率を読み出すことが可能である。
【００３１】
有利には、記載のセンサ装置が、圧力センサまたは曲げセンサとして使用される。圧力センサまたは曲げセンサにおいては、センサ装置に対して機械的力が加えられる。これが、可逆的に、強誘電体層における分極性の変化を生じ、コンデンサ装置に応じて、または非接触式に読み出される。力が減衰した後、強誘電体層の分極性が再び初期状態に移行する。
【００３２】
本発明によるセンサは、以下の適用範囲において特に有利に使用可能である：
きわめて高感度の曲げセンサおよび伸びセンサとして、曲げないしは伸びの絶対値を測定するため、ならびに曲げないしは伸びを簡便な電子的読出しにおいて方向依存性および局所性に測定するため。使用範囲は、圧力測定、気体または液体の正圧管理または（貫）流量測定；位置決定およびポジショナ、タッチスクリーンにおいて、アナログ式測定変換（Ｍｅｓｓｕｍｆｏｒｍｕｎｇ）（例えば、ゴーレイセルでの温度測定）において、ならびに、例えば、エアバッグからインテリジェントスイッチに至るまでの安全システムを作動させる際のスイッチとして。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明によるセンサ装置の原理を示す。
【図２】キャリア基板および強誘電体層からなる、光学式読出しを装備した本発明によるセンサ装置の図解（断面図）を示す。
【図３】キャリア基板および強誘電体層からなる、静電容量式読出しを装備した本発明によるセンサ装置の図解（断面図）を示す。
【図４ａ】異なる静電容量式読出し静電容量部（Ａｕｓｌｅｓｅｋａｐａｚｉｔａｅｔ）の上面図を示す。
【図４ｂ】異なる静電容量式読出し静電容量部の上面図を示す。
【図４ｃ】横断面図で示される異なる測定配置が、可能な平面電極対位置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図中の同一参照符号は、同一部品を指し示す。
【００３５】
図１では、センサ装置の本発明による原理を示す。分極性は、外部電界を印加した際の、負電荷に相対する正電荷の移動性の尺度である。つまり、分極性が高ければ高いほど、電界によって双極子モーメントが誘導されやすい。分極性は、電気寄与部分（核に相対する電子雲の移動）およびイオン寄与部分（陰イオンに相対する陽イオンの移動）から構成される。イオン分極性が、誘電率への最大の貢献をなす。その上、イオンによる貢献は、結晶構造、特に結晶対称性に強く依存する。中心対称結晶は、強誘電性ではあり得ないということが一般的には当てはまる（図１、中央）。
【００３６】
本発明によると、圧力（単軸性または二軸性）により、結晶構造、さらには結晶対称性も変化する（図１、中央図の左側および右側を参照）。このことが、結晶の分極性Ｐを変化させる。最大の変化は、本発明によると、中心対称構造（中央図）から非中心対称構造（中央図の左側および右側）が生じる場合に予期され得る。このとき、格子ひずみにより、誘電状態から強誘電状態が生じる。これが、誘電率の極端な変化を引き起こす。エピタキシャル単結晶層の場合、発明者によると、ペロブスカイト（ＡＢＯ３構造）において、格子定数がおよそ１％だけ変化した際にε≒３００〜ε＞５０００という上昇が測定された。誘電率の類似する変更が、機械的にＰａ範囲での圧力変化においても達成され得るということが、本発明による仮定である。図の下部は、それぞれ、異なる状態に関して、キャリア上の層の配置を示す。その際、キャリア基板１上に強誘電体層２が配置されている。図１下部の左側および右側の太い矢印は、この配置に作用する正圧Ｄ（左側）ないしは負圧Ｄ（右側）を示す。その結果として、強誘電体層の配置に応じて、層平面における結晶構造の圧縮ないしは伸長が起こる。この圧縮ないしは伸長が、次いで、層平面に対して垂直な逆の伸長ないしは圧縮によって、部分的に補整される。キャリアの下側に層を付加的に配置することにより、この効果がちょうど逆に進行し得る。
【００３７】
一般的には、膜に対して垂直な正圧ないしは負圧が、層平面に対して垂直な補整を同時に伴いつつ、強誘電体層の層平面における圧縮ないしは伸長を引き起こすということが当てはまる。
【００３８】
図１の上部におけるＰは、下部で示されるように強誘電体層に正圧または負圧が作用した場合の、結晶の分極性の方向を示す。
【００３９】
図２は、光源Ｌ、偏光子Ｐ、検光子Ａ、および検出器ＤＥからなる光学式読出し（エリプソメトリ）を装備した圧力センサを示す。以下のケースが示されている：
ａ）膜の、圧力（Ｄ＞０）に面する側にある強誘電体層。代わりに、膜が省略され、強誘電体層が膜として形成されていてもよい。
ｂ）膜の、圧力（Ｄ＞０）に面する側の下側にある強誘電体層。代わりに、膜が省略され、強誘電体層が膜として形成されていてもよい。
ｃ）両面が強誘電体センサ層で被覆された膜が両面で光学式に読み出される。代わりに、膜が省略され、強誘電体層が膜として形成されていてもよい。
【００４０】
膜２１ならびに検出器層２２に関する、図中の破線は、圧力負荷Ｄに続いて起こる、それらの、ゼロ位置からたわんだ状態を示す。
【００４１】
図中には、膜ホルダ２３、膜２１およびセンサ層２２を備える、光学式読出しを装備した圧力ないしひずみセンサの基本的な要素を図示する。破線は、圧力Ｄに起因する、センサ層と共に膜のたわんだ状態を指示する。破線矢印は、例えば、エリプソメトリを利用した光学式読出し用の光線を表す。この膜は、空間分解されない（ｎｉｃｈｔｏｒｔｓａｕｆｇｅｌｏｅｓｔ）高感度測定のために、数マイクロメートルから数センチメートルまでの横方向寸法を顕微鏡測定のために有することができる。膜２１の厚さは、１０μｍの範囲内で選択され得る。センサ層の厚さは、典型的には２００ｎｍである。ここで、十分に厚いセンサ層（２μｍ）を使用する際には、キャリア基板２１なしに作動させることも可能であって、例えば、そのセンサ層がゆがむときにその結晶構造が上側および下側において逆方向にひずみ、光学式読出しにより両表面のうちの一方のみが検知される。
【００４２】
図３は、強誘電体層の垂直な分極を測定するためのプレートコンデンサ装置を利用する、静電容量式読出しを装備した圧力センサを示す。プレートコンデンサは、それぞれ、電極２７ないしは２８、および電子接続された（ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈ  ａｎｇｅｓｃｈｌｏｓｓｅｎ）読出し電子機器２６からなる。以下のケースが示されている：
ａ）強誘電体層のみを備える電極対２７ならびに強誘電体層および膜を備える電極対２８を装備した、膜の、圧力（Ｄ＞０）に面する側にある強誘電体層。
ｂ）強誘電体層のみを備える電極対２７ならびに強誘電体層および膜を備える電極対２８を装備した、膜の、圧力（Ｄ＞０）に面する側の下側にある強誘電体層。
ｃ）強誘電体層のみを備える、二対の電極対２７ａ、２７ｂを利用して、一方の電極対が上層で測定し、第二の電極対が下層で測定する、両面が強誘電体センサ層で被覆された膜の両面式読出し。
【００４３】
図３は、図２のように、ここでは圧力測定用の膜２１としてのキャリア、検出器層としての強誘電性ペロブスカイト層２２、層２１、２２のためのキャリア基板としての環状ホルダ２３からなり、ただし、静電容量式読出し電極２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂおよび静電容量式読出し電子機器２５、２６を装備したセンサ装置の図解を断面図で示す。
【００４４】
したがって、誘電率の変化は、この図に示されるように、静電容量式にも読み出すことが可能である。そのためには、平行プレート式静電容量部配置を選択してもよい。検出器層２２の分極性は、キャリア基板２１ないしは膜平面に対して垂直に測定される。
【００４５】
矢印Ｄは、これも同様に、キャリア基板２１および検出器層２２に作用する圧力を示す。矢印Ｄの左側には、平行プレート式コンデンサ２７ａ、２７ｂが示されており、このコンデンサの場合、電極が検出器層のみを含み、その右側には平行プレート式コンデンサ２８ａ、２８ｂが示されており、このコンデンサの場合は、両方の電極が、膜ないしはキャリア基板２１、および強誘電体層２２としてのセンサ層を備える。右側のケースでは、キャリア基板および強誘電体センサ層の誘電特性が測定されるため、ここでは、誘電率、および特にゆがむ際の誘電率変化が無視できるほどに小さいことが保証される必要がある。両構造とも、図示されるように組み合わせでも、または個別にも可能である。
【００４６】
その際、平行して配置されるプレート２７ａ、２７ｂならびに２８ａ、２８ｂが、静電容量Ｃを形成する。
【００４７】
【数１】
2015515612.tif 000005
ただし、ε０＝８．８５・１０−１２［Ａｓ／Ｖｍ］は真空の誘電率（ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ  Ｆｅｌｄｋｏｎｓｔａｎｔｅ）、εは比誘電率またはプレート間の媒体の誘電率、Ａおよびｄは、プレート面積ないしはプレート間隔を意味する。したがって、一般的には、この配置、ならびに検出器層上の電極の平面配置に関して以下が当てはまる。
【００４８】
【数２】
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より高い感度は、基本的には、交差指状構造３０ａ、３０ｂの使用により、実効間隙（ｅｆｆｅｋｔｉｖｅｒ  Ｓｐａｌｔ）の延長を利用して達成される。
【００４９】
図４は、上面図（（ａ）および（ｂ））中で、平面の分極性、つまり層平面における誘電率を測定するための異なる静電容量式読出し静電容量部を示す。電極対は、それぞれ強誘電体センサ層上に取り付けられている。ここでもキャリアとしての膜は省略可能である。
ａ）標準的な実施形態における平面平行プレート配置。
ｂ）より小さい測定面上でより高い解像度を達成する平面交差指状構造。
ｃ）横断面図で示される異なる測定配置は、可能な平面電極対位置を示す。
【００５０】
左側から：
それ自身は膜上に取り付けられた強誘電体層の上にある平面電極対が、膜の下方での強誘電体層の平面伸長／圧縮を測定する。
【００５１】
それ自身は膜の下に取り付けられた強誘電体層の下にある平面電極対が、膜の上方での強誘電体層の平面伸長／圧縮を測定する。その際、膜の上方および下方の層内の伸長および圧縮ひずみを同時に測定することができる。
【００５２】
平面構造によると、有利なことには、層平面内における検出器層２２の誘電率が測定される。それゆえ、適用目的に応じて、異なる静電容量構造、例えば、二つの平行に配置された、最低限の間隔を有するストリップ２９ａ、２９ｂ、または静電容量が高い交差指状構造３０ａ、３０ｂからなる標準的構造を使用することが可能である。その際、静電容量構造の配向により、誘電率、それゆえゆがみを異なる方向において別々に測定することができる。平面配置は、電極によって設定される方向においてのみ誘電率を測定する。それゆえこの配置は、電極構造によって設定される方向への、センサ層を備えた膜のゆがみを測定するために適している。したがって、この配置においては、センサはゆがみセンサとしても機能する。静電容量構造の異なる配置により、異なる方向への、センサ層を備えた膜のゆがみを検出することができる。
【００５３】
一般的には、静電容量構造を小型化することにより、たわみの局所変化を測定することができる。さらに、経時的なデータ捕捉により、局所分解された動的プロセスも捕捉することができる（例えば、タッチスクリーン用）。
【００５４】
センサ装置は、以下のように製造される。
【００５５】
キャリア材料２１としては、Ｓｉキャリアを使用し、そのキャリアにおいてエッチングにより一領域をおよそ２〜５μｍに薄くすることにより、およそ１０ｍｍの直径を有する円形面上に薄い可撓性膜が生じる。このウェーハの平面側に、マグネトロン陰極噴霧を利用して、ＳｒＴｉＯ３からなる薄い結晶質強誘電体層を施す。ＳｒＴｉＯ３層の層厚はおよそ５０ｎｍである。この層上に、薄層技術においてリフトオフ法および金蒸着を利用して、静電容量測定用の導線と共に電極対を装着する。誘電率を静電容量測定するための電極は、膜上に存在し、電極からの導線は、膜の外側にある測定電子機器２５、２６への接点へと導かれる。電極は、サイズが８ｍｍ×１ｍｍの長方形からなり、その長方形の長辺は互いに平行して配置されており、２μｍのギャップを形成する。
【００５６】
Ｓｉウェーハは、ゴーレイセル上に真空気密に装着される。膜の外側に位置する導線を介し、ＬＣメータを利用して、膜上の静電容量配置の静電容量を測定する。ゴーレイセル内の温度変化は、セル内部における圧力変化を引き起こし、この圧力変化が、Ｓｉ膜２１のたわみを生じる。膜のたわみが引き起こす、ＳｒＴｉＯ３の誘電率変化が、静電容量の変化を生じる。ゴーレイセル内の温度変化は、このようにして、簡単に測定可能な静電容量変化へと変換される。
【００５７】
したがって、圧力変化Ｄに基づくキャリア層２１および検出器層２２のたわみが、常に、測定電子機器２５と共にコンデンサ装置２７ａ、２７ｂ、ないしは２８ａ、２８ｂおよび２６、ならびに２９ａ、２９ｂおよび３０ａ、３０ｂに波及効果を及ぼす。この方式で、ｐＦ範囲からμＦ範囲までの静電容量を読み出すことができる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【国際調査報告】
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