(57)【要約】  【課題】  使用環境によらず、導体膜の剥がれを抑制して正しい圧力を検知する圧力センサ素子を提供する。  【解決手段】  本発明の圧力センサ素子は、電極１０と、電極１０の一方主面上に設けられた圧電膜１１と、圧電膜１１を覆うように設けられた導体膜１２とを含み、導体膜１２には部分的に切れ目１２１があることを特徴とするものである。導体膜１２に切れ目１２１があることで、温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりしても、応力が緩和されて弱まる。また、切れ目１２１が部分的にあることで、切れ目１２１の周囲で導体膜１２がつながっていることから、導体膜１２が剥がれにくくなる。したがって、外部圧力に比例した信号を発生させ、正しい圧力を検知することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、該電極の一方主面上に設けられた圧電膜と、該圧電膜を覆うように設けられた導体膜とを含み、該導体膜には部分的に切れ目があることを特徴とする圧力センサ素子。
【請求項２】
前記切れ目に面した前記導体膜の側面に凹凸があることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項３】
前記切れ目の幅は前記圧電膜側に向かって狭くなっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ素子。
【請求項４】
平面視で、前記切れ目は屈曲していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の圧力センサ素子。
【請求項５】
前記切れ目は角部を有する形状に屈曲していることを特徴とする請求項４に記載の圧力センサ素子。
【請求項６】
平面視で、前記切れ目は分岐点を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の圧力センサ素子。
【請求項７】
平面視で、前記切れ目は前記導体膜の周縁よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちいずれかに記載の圧力センサ素子。
【請求項８】
平面視で、前記切れ目の端部は幅が先端に向かって狭くなっていることを特徴とする請求項７に記載の圧力センサ素子。
【請求項９】
前記導体膜上に第２の電極があることを特徴とする請求項１乃至請求項８のうちいずれかに記載の圧力センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体、液体等の圧力、特に自動車用エンジンの燃焼圧力を計測するための圧力センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサ素子として、電極の上に圧電膜が設けられ、圧電膜の上に電極が設けられた構成のものが知られている（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の圧力センサ素子は、タングステンをコーティングしたガラス基板等を電極として、この電極の上にスパッタリング法等により圧電膜として例えばＡｌＮ薄膜が形成され、さらに圧電膜の上に蒸着方法等により電極が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−６５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された圧力センサ素子は、自動車のエンジンルームのような温度変化や機械的振動が大きな環境で使用すると、導体膜が温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりすることで、広範囲に膜剥がれを起こすおそれがある。これにより、発生した電荷を十分に集電することができなくなって、感度がばらついたり大きく低下したりして正しい圧力が検知できなくなるおそれがあるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、使用環境によらず、導体膜の剥がれを抑制して正しい圧力を検知する圧力センサ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧力センサ素子は、電極と、該電極の一方主面上に設けられた圧電膜と、該圧電膜を覆うように設けられた導体膜とを含み、該導体膜には部分的に切れ目があることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の圧力センサ素子は、導体膜に切れ目があることで、温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりしても、応力が緩和されて弱まる。また、切れ目が部分的にあることで、切れ目の周囲で導体膜がつながっていることから、導体膜が剥がれにくくなる。したがって、安定的に外部圧力に比例した信号を発生させ、正しい圧力を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は本発明の圧力センサ素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部拡大断面図である。
【図２】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大平面図である。
【図５】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大平面図である。
【図６】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大平面図である。
【図７】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す概略平面図である。
【図８】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大平面図である。
【図９】本発明の圧力センサ素子の実施の形態の他の例を示す要部拡大断面図である。
【図１０】成膜装置（スパッタ装置）の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の圧力センサ素子の実施の形態の例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１（ａ）は本発明の圧力センサ素子の実施の形態の一例を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線で切断した要部拡大断面図である。図１に示す例の圧力センサ素子は、電極１０と、電極１０の一方主面上に設けられた圧電膜１１と、圧電膜１１を覆うように設けられた導体膜１２とを含み、導体膜１２には部分的に切れ目１２１がある。
【００１１】
電極１０は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等で、その用途に応じて例えば円板状、矩形板状、環状（リング板状）に形成されたものであり、薄膜形成プロセスにおける結晶成長に適しているものが好ましい。なお、自動車エンジンの点火プラグ取付部に実装してエンジンのシリンダ内圧を測定するために使用する場合であって、電極１０の形状が円板状の場合は、例えば直径２〜５０ｍｍ、厚み０．１〜２ｍｍに形成される。
【００１２】
電極１０の一方主面上に設けられた圧電膜１１は、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法によって成膜してなるもので、例えば窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランガサイト等の薄膜化が可能な圧電材料からなる。この圧電膜１１の厚みは、例えば０．１〜２０μｍである。
【００１３】
圧電膜１１を覆うように設けられた導体膜１２は、圧電膜１１と同様にスパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法によって成膜してなるもので、アルミニウム、金、白金、モリブデン、ニッケル、銅、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、導電性カーボン等の導電性の材料からなる。この導体膜１２の厚みは、例えば０．０１〜１０μｍである。
【００１４】
そして、導体膜１２には部分的に切れ目１２１がある。部分的に切れ目１２１があるとは、導体膜１２を分断するように端から端にわたって形成されたものではなく、切れ目１２１の少なくとも一端は導体膜１２によって閉鎖されていることを意味している。この切れ目１２１の幅は例えば０．００１〜１０μｍであり、長さは例えば１μｍ〜１０ｍｍである。
【００１５】
圧電膜１１に外部から圧力が加わると、圧電膜１１の圧電的性質により印加された圧力に応じた量だけ圧電膜１１の両主面に電荷が発生する。この電荷は電極１０または導体膜１２を介して外部に出力される。例えば、電極１０に正の電荷が集められ、導体膜１２に負の電荷が集められ、それぞれが外部に出力される。外部に出力された電荷は、アンプに
より電圧信号に変換されるなどして、印加された圧力の測定に供する。
【００１６】
このような構造によれば、導体膜１２が温度変化により膨張収縮したり、繰り返し大きな荷重が加わって歪んだりしても、切れ目１２１で応力が弱まって剥がれにくくなる。また、切れ目１２１が部分的にあることで、切れ目１２１の周囲で導体膜１２がつながっていることから、導体膜１２が剥がれにくくなる。したがって、外部圧力に比例した信号を発生させ、正しい圧力を検知することができる。
【００１７】
ここで、図２に示すように、切れ目１２１に面した導体膜１２の側面に凹凸があるのが好ましい。なお、この凹凸としては、断面で見て例えば凹部または凸部の幅が0.01〜１μｍ、これらの段差が０．０１〜１μｍである。この構成によれば、凹凸部分で導体膜２の剛性が小さくなり、この部分への応力集中を低減できる。また、導体膜２に作用する応力は切れ目１２１に面した導体膜１２の側面の法線方向に働くことから、凹凸により応力の方向が分散され特定の方向に揃わなくなるので、膜剥がれがより生じにくくなってより正しい圧力を検知できる。
【００１８】
また、図３に示すように、切れ目１２１の幅は圧電膜１１側に向かって狭くなっているのが好ましい。この構成によれば、切れ目１２１において導体膜１２の膜厚が圧電膜１１側に向かって薄くなることから、この部分の剛性が小さくなって導体膜１２に加わる応力が小さくなり、切れ目１２１を起点とする膜剥がれがより生じにくくなってより正しい圧力を検知できる。
【００１９】
また、図４に示すように、平面視で、切れ目１２１は屈曲しているのが好ましい。例えば、直線と直線とが交わるように屈曲している場合は、交わる角度としては１０〜１７０度になっている。この構成によれば、導体膜１２に作用する応力は切れ目１２１の表面の法線方向に働くことから、切れ目１２１が屈曲した構造とすることで、切れ目に加わる応力が特定の方向に揃わなくなって膜剥がれがより生じにくくなる。なお、導体膜１２に振動が加わっても、入射した振動波は切れ目１２１において同時に反射しないので、切れ目１２１の側面に加わる振動エネルギーが分散される効果もあり、より正しい圧力が検知できる。
【００２０】
また、図５に示すように、切れ目１２１は角部を有する形状に屈曲しているのが好ましい。この構成によれば、導体膜１２に繰り返し大きな荷重が加わっても、導体膜１２に加わる歪みは角部（折れ曲がり部）に集中し、角部の先端にクラックが生じることで、導体膜１２全体では歪みが緩和されて、膜剥がれがより生じにくくなり、より正しい圧力が検知できる。
【００２１】
また、図６に示すように、平面視で切れ目１２１は分岐点を有しているのが好ましい。この構造によれば、導体膜１２に作用する応力は切れ目１２１の表面の法線方向に働くことから、切れ目１２１に分岐点がある構造とすることで、切れ目に加わる応力が特定の方向に揃わなくなって膜剥がれがより生じにくくなる。なお、導体膜１２に振動が加わっても、導体膜１２内を伝わる振動の波が切れ目１２１の分岐点で分断され、減衰する効果もあり、より正しい圧力が検知できる。
【００２２】
また、図７に示すように、平面視で、切れ目１２１は導体膜１２の周縁よりも内側に位置しているのが好ましい。換言すれば、切れ目１２１が導体膜１２１の周縁まで達していないのが好ましい。切れ目１２１が導体膜１２１の周縁まで延びていて、導体膜１２１の周縁に開口部が有ると、そこに応力集中が起こり易いが、上記の構成によればそうした問題を回避することができるので、より■れにくくなる。この切れ目１２１は、導体膜１２の周縁よりも１０μｍ以上内側に位置しているのが効果的であり、例えば１０μｍ〜１０
ｍｍ内側にあるのがよい。
【００２３】
なお、外部から電気的なノイズが侵入しても、切れ目１２１が導体膜１２の周縁よりも内側に位置していることで、電気的ノイズによる誘導電流が、切れ目１２１の端を回り込んで流れるようになる。このような状態になると、導体膜１２に生じる切れ目１２１の内周に沿って、インダクタンス成分とキャパシタンス成分が形成され、これらが並列ＬＣフィルタと同様の作用を働くので、周波数の高い外部ノイズによる電流は流れにくくなり、より正しい圧力が検知できる。一方、切れ目１２１が導体膜の周縁よりも内側に位置していない場合は、電気的ノイズによる誘導電流が、切れ目１２１を回り込んで流れなくなるため、このような効果はあらわれない。
【００２４】
また、図８に示すように、平面視で切れ目１２１の端部は幅が先端に向かって狭くなっているのが好ましい。この構成によれば、導体膜１２に繰り返し大きな圧力が加わった場合、導体膜１２に生じる歪みは切れ目１２１の先端の狭くなった部分に集中し、先端にクラックが生じることで、導体膜１２全体では、歪みが緩和されて剥がれにくくなり、より正しい圧力が検知できる。
【００２５】
なお、上記の圧力センサ素子は、図９に示すように、導体膜１２上に電極１０と同様の第２の電極１３を配置した構成であってもよい。導体膜１２に斜め上方から圧力が加わっても、導体膜１２上で第２の電極１３が横滑りして、導体膜１２と圧電膜１１との界面のせん断力および導体膜１２に加わる横方向の変形が緩和され、導体膜１２の剥がれを低減させることができる。
【００２６】
圧電膜１１に外部から圧力が加わると、圧電膜１１の圧電的性質により印加された圧力に応じた量だけ圧電膜１１の両主面に電荷が発生し、例えば電極１０に正の電荷が集められ、第２の電極１３に負の電荷が集められる。電極１０または第２の電極１３に集められた電荷は、信号線、ＧＮＤ線（図示せず）等を介して、外部に出力される。外部に出力された電荷は、アンプにより電圧信号に変換されるなどして、印加された圧力の測定に供する。
【００２７】
さらに、図示しないが、電極１０、圧電膜１１、導体膜１２、電極１０、圧電膜１１、導体膜１２の順のように複数積層し、例えば筐体に収容することで、圧力センサとして利用してもよい。導体膜１２の上に第２の電極１３を配置したり、圧力センサ素子を複数積層したりすることで、さらに導体膜１２が剥がれにくく、集電効果を向上させることができる。
【００２８】
以下、本発明の圧力センサ素子の製造方法の例として、図１に示す圧力センサ素子の製造方法を説明する。
【００２９】
まずはじめに、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ステンレス、炭素鋼、ニッケル、銅等の金属材料からなる電極１０の片面に、窒化アルミニウム、酸化亜鉛等の薄膜化に適した圧電材料からなる圧電膜１１を成膜する。
【００３０】
圧電膜１１の成膜方法としては、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法を用いる。例えばスパッタリングで圧電膜１１を成膜する場合には、図１０に示すように、成膜容器２０内の基板ホルダ２１に電極１０をセットし、スパッタリングガス２３中で、スパッタ電源２２から、スパッタリングターゲット２４に電力を供給し、成膜を行う。
【００３１】
続いて、アルミニウム、金、白金、モリブデン、ニッケル、銅、ＩＴＯ（酸化インジウ
ムスズ）、導電性カーボン等の導電性材料からなる導体膜１２を圧電膜１１の表面に成膜する。導体膜１２の成膜方法としては、スパッタリング、ＣＶＤ、イオンプレーティング、真空蒸着等の手法を用いる。
【００３２】
ここで、導体膜１２に切れ目を設けるためには、導体膜１２の一部をイオンミリングで除去したり、導体膜１２の成膜時に圧電膜１１の表面にマスクを設けたりする方法が挙げられる。
【００３３】
また、図２に示すような切れ目１２１に面した導体膜１２の側面に凹凸がある形状の圧力センサ素子を作製するには、機械加工、エッチング加工等により、前記マスク側面に凹凸を設ければよい。
【００３４】
また、図３に示すような切れ目１２１の幅が圧電膜１１側に向かって狭くなっている形状の圧力センサ素子を作製するには、前記マスク側面の形状を切れ目１２１の形状に対応する形状としたり、導体膜１２をイオンミリング加工する際の条件調整を行ったりすればよい。なお、条件調整としては、例えばイオンビームの走査幅を時間の経過に従って徐々に狭くする方法、イオンビーム径を磁場やアパーチャを使って徐々に絞る方法が挙げられる。
【００３５】
また、図４〜図８の圧力センサ素子を作製する場合は、前記マスクパターンを図に示すような形状とすればよい。
【００３６】
また、図９の圧力センサ素子を作製する場合は、図１〜図８の圧力センサ素子に第２の電極１３をのせて固定すればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０：電極
１１：圧電膜
１２：導体膜
１２１：切れ目
１３：第２の電極
２０：成膜容器
２１：基板ホルダ
２２：スパッタ電源
２３：スパッタリングガス
２４：スパッタリングターゲット
【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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【図７】
2013134116.tif 000009
【図８】
2013134116.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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