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JP6972630B2 - Piezoelectric sensor - Google Patents

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JP6972630B2 JP2017080677A JP2017080677A JP6972630B2 JP 6972630 B2 JP6972630 B2 JP 6972630B2 JP 2017080677 A JP2017080677 A JP 2017080677A JP 2017080677 A JP2017080677 A JP 2017080677A JP 6972630 B2 JP6972630 B2 JP 6972630B2
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Description

本発明は、圧電材料として強誘電体を用い、電界印加処理により正圧電効果を高めた圧電センサに関する。 The present invention relates to a piezoelectric sensor in which a ferroelectric substance is used as a piezoelectric material and a positive piezoelectric effect is enhanced by an electric field application process.

従来、強誘電体を圧電材料として用いた圧電素子を備える圧電センサとして、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。特許文献1に記載の圧電センサは、例えば、超音波センサ素子や振動センサ素子などであって、所定の共振周波数を有して超音波などを検出する圧電共振型センサ素子と、当該素子から得られる信号を制御する制御手段を備える。 Conventionally, as a piezoelectric sensor including a piezoelectric element using a ferroelectric material as a piezoelectric material, for example, the one described in Patent Document 1 is known. The piezoelectric sensor described in Patent Document 1 is, for example, an ultrasonic sensor element, a vibration sensor element, or the like, which is obtained from a piezoelectric resonance type sensor element having a predetermined resonance frequency and detecting ultrasonic waves or the like, and the element. It is provided with a control means for controlling the signal to be generated.

具体的には、特許文献1に記載の圧電センサは、強誘電体によりなる圧電体層および当該圧電体層を挟む一対の電極によりなる圧電素子と、可変直流電圧電源と、電流増幅手段と、周波数計測手段と、周波数入力手段と、電圧制御手段とを備える。 Specifically, the piezoelectric sensor described in Patent Document 1 includes a piezoelectric layer made of a strong dielectric, a piezoelectric element made of a pair of electrodes sandwiching the piezoelectric layer, a variable DC voltage power supply, a current amplification means, and the like. It includes a frequency measuring means, a frequency input means, and a voltage controlling means.

上記の圧電センサでは、振動波などを受けた圧電素子が圧電体層の変位に応じた出力信号を出力し、この出力信号に可変直流電圧電源から所定の直流バイアス電圧を印加する。そして、電流増幅手段により、所定の直流バイアス電圧を印加が印加された出力信号の電流を増幅し、この出力信号が検出信号として出力されると共に、周波数計測手段により、検出信号の周波数が計測される。その後、周波数入力手段により所定の共振周波数が入力され、この共振周波数と上記周波数計測手段により得られた周波数との比較が行われる。そして、電圧制御手段により、これら2つの周波数が一致するように可変直流電圧電源から所定の直流バイアス電圧が制御されることで、圧電素子の共振周波数を所定の範囲に制御することができる。 In the above-mentioned piezoelectric sensor, a piezoelectric element that has received a vibration wave or the like outputs an output signal corresponding to the displacement of the piezoelectric layer, and a predetermined DC bias voltage is applied to this output signal from a variable DC voltage power supply. Then, the current amplification means amplifies the current of the output signal to which a predetermined DC bias voltage is applied, and this output signal is output as a detection signal, and the frequency of the detection signal is measured by the frequency measuring means. NS. After that, a predetermined resonance frequency is input by the frequency input means, and the resonance frequency is compared with the frequency obtained by the frequency measuring means. Then, the voltage control means controls a predetermined DC bias voltage from the variable DC voltage power supply so that these two frequencies match, so that the resonance frequency of the piezoelectric element can be controlled within a predetermined range.

これにより、製造後に圧電素子の共振周波数を電圧制御手段により制御可能となるため、共振周波数を調整した圧電素子を製造する必要がなくなり、製造コストの低い圧電センサとなる。 As a result, the resonance frequency of the piezoelectric element can be controlled by the voltage control means after manufacturing, so that it is not necessary to manufacture the piezoelectric element having the adjusted resonance frequency, and the piezoelectric sensor has a low manufacturing cost.

特開2006−332991号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-332991

近年、電界がかかっていなくても自発分極をしている強誘電体を圧電材料として使用した圧電センサにおいて、感度を高めることが検討されている。このような圧電センサでは、物理的な力を受けて圧電材料が変形すると、圧電効果により電荷が生じる。そのため、理論的には、この圧電材料の変形により得られる電荷量を増加させることで、感度の高い圧電センサとなる。 In recent years, it has been studied to increase the sensitivity of a piezoelectric sensor using a ferroelectric material that spontaneously polarizes even when an electric field is not applied as a piezoelectric material. In such a piezoelectric sensor, when the piezoelectric material is deformed by receiving a physical force, an electric charge is generated by the piezoelectric effect. Therefore, theoretically, by increasing the amount of electric charge obtained by the deformation of the piezoelectric material, a piezoelectric sensor with high sensitivity can be obtained.

ここで、特許文献1に記載の圧電センサのように、圧電素子から出力された電荷量に基づく信号に対してバイアス電圧を印加し、当該信号を増幅後に得られる周波数検出に基づき、当該バイアス電圧を制御して圧電素子の共振周波数を制御することも考えられる。しかしながら、この手法は、圧電センサの共振周波数の制御に主眼が置かれたものであり、共振周波数の制御なしに、圧電材料の変形する量、すなわち変位量に対して圧電体から得られる電荷量自体を増加させるものではない。また、共振周波数の検出等の回路が別途必要となるため、複雑化してしまう。 Here, like the piezoelectric sensor described in Patent Document 1, a bias voltage is applied to a signal based on the amount of charge output from the piezoelectric element, and the bias voltage is based on frequency detection obtained after amplifying the signal. It is also conceivable to control the resonance frequency of the piezoelectric element. However, this method focuses on controlling the resonance frequency of the piezoelectric sensor, and the amount of deformation of the piezoelectric material, that is, the amount of charge obtained from the piezoelectric material with respect to the amount of displacement, without controlling the resonance frequency. It does not increase itself. In addition, a circuit for detecting the resonance frequency is required separately, which complicates the process.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、強誘電体を圧電材料として用いた圧電素子を備え、従来の圧電センサに比べて感度の高い圧電センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor including a piezoelectric element using a ferroelectric material as a piezoelectric material and having higher sensitivity than a conventional piezoelectric sensor. ..

上記目的を達成するため、請求項1に記載の圧電センサは、圧電材料(13a)によりなる圧電体層(13)と、圧電体層に接して形成され、圧電体層を隔てて互いに向き合うように配置された第1電極(11)および第2電極(12)と、を有してなる圧電部(10)と、圧電体層の変位により生じる電荷を検出する際に、当該変位前にあらかじめ圧電材料の分極方向を揃えるための直流バイアス電圧を第1電極に印加するための電圧供給部(20、31)と、を備え、圧電材料は、強誘電材料であり、圧電体層は、薄膜状とされ、圧電体層を構成する圧電材料の自発分極の方向が複数存在し、かつ、複数の自発分極の方向が異なる二以上の方向を向く構成とされており、圧電部は、基板(50)の一面(50a)上に第2電極、圧電体層、第1電極の順に形成された構成を有すると共に、第1電極に直流バイアス電圧が印加された際には、圧電体層には一面に対する法線方向に沿って反る力が働き、第1電極上もしくは一面の反対側の他面(50b)上には、直流バイアス電圧が第1電極に印加された際において圧電体層が反る方向の反対方向に反る力を発生させる反り抑制層(41)が形成されており、反り抑制層(41)上には、第3電極(43)が形成されており、反り抑制層は、第1電極上に形成され、かつ強誘電材料と異なる誘電材料により構成されると共に、第1電極に直流バイアス電圧が印加された際には、第3電極に所定の電圧が印加されることにより圧電体層の反りの方向と反対方向に反る層であるIn order to achieve the above object, the piezoelectric sensor according to claim 1 is formed in contact with a piezoelectric layer (13) made of a piezoelectric material (13a) and a piezoelectric layer so as to face each other across the piezoelectric layer. When detecting the charge generated by the displacement of the piezoelectric portion (10) having the first electrode (11) and the second electrode (12) arranged in, and the piezoelectric layer, in advance before the displacement. voltage supply for applying a DC bias voltage for aligning the polarization direction of the piezoelectric material to the first electrode and the (20, 31), Bei give a piezoelectric material is a ferroelectric material, a piezoelectric material layer, The piezoelectric material is thin and has a plurality of spontaneous polarization directions of the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer, and the plurality of spontaneous polarization directions are different from each other. The piezoelectric portion is a substrate. The second electrode, the piezoelectric layer, and the first electrode are formed in this order on one surface (50a) of (50), and when a DC bias voltage is applied to the first electrode, the piezoelectric layer is formed. A warping force acts along the normal direction with respect to one surface, and a piezoelectric layer is applied on the first electrode or on the other surface (50b) on the opposite side of one surface when a DC bias voltage is applied to the first electrode. A warp suppressing layer (41) that generates a warping force in the direction opposite to the warping direction is formed, and a third electrode (43) is formed on the warp suppressing layer (41) to suppress warping. The layer is formed on the first electrode and is made of a piezoelectric material different from the piezoelectric material, and when a DC bias voltage is applied to the first electrode, a predetermined voltage is applied to the third electrode. As a result, the piezoelectric layer is a layer that warps in the direction opposite to the warp direction .

これにより、圧電部に直流バイアス電圧を印加することで、圧電体層を構成する圧電材料の分極の向きをある程度一定に揃えた状態とすることができ、この状態のまま圧電部を変位させて生じる電荷を検出できる構成となる。その結果、圧電材料の分極方向がある程度揃う状態、すなわち圧電体層全体の分極の度合いが高まった状態とされることで、圧電部を変位させた際の正圧電効果が高められ、従来の圧電センサに比べて、感度の高い圧電センサとなる。 As a result, by applying a DC bias voltage to the piezoelectric portion, the polarization directions of the piezoelectric materials constituting the piezoelectric layer can be made uniform to some extent, and the piezoelectric portion can be displaced in this state. The configuration is such that the generated charge can be detected. As a result, the polarization directions of the piezoelectric materials are aligned to some extent, that is, the degree of polarization of the entire piezoelectric layer is increased, so that the positive piezoelectric effect when the piezoelectric portion is displaced is enhanced, and the conventional piezoelectric is enhanced. It is a piezoelectric sensor with higher sensitivity than the sensor.

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 The reference numerals in parentheses of each of the above means indicate an example of the correspondence with the specific means described in the embodiment described later.

第1実施形態の圧電センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the piezoelectric sensor of 1st Embodiment. 第1実施形態の圧電センサの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the piezoelectric sensor of 1st Embodiment. バイアス電圧を印加する前後の圧電体層における強誘電体の分極の方向と当該バイアス電圧印加による電界の方向との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the direction of polarization of a ferroelectric substance in the piezoelectric layer before and after applying a bias voltage, and the direction of an electric field by applying the bias voltage. 電界印加処理時におけるバイアス電圧と圧電定数との予想特性を示す図である。It is a figure which shows the predicted characteristic of a bias voltage and a piezoelectric constant at the time of electric field application processing. 第2実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric part in the piezoelectric sensor of 2nd Embodiment. 第2実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。It is a figure which shows the function of the warp suppression layer in the piezoelectric sensor of 2nd Embodiment. 第3実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric part in the piezoelectric sensor of 3rd Embodiment. 第3実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。It is a figure which shows the function of the warp suppression layer in the piezoelectric sensor of 3rd Embodiment. 第4実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric part in the piezoelectric sensor of 4th Embodiment. 第4実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。It is a figure which shows the function of the warp suppression layer in the piezoelectric sensor of 4th Embodiment. 第5実施形態の圧電センサにおける圧電部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piezoelectric part in the piezoelectric sensor of 5th Embodiment. 第5実施形態の圧電センサにおける反り抑制層の働きを示す図である。It is a figure which shows the function of the warp suppression layer in the piezoelectric sensor of 5th Embodiment. 他の実施形態の圧電センサの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the piezoelectric sensor of another embodiment. バイアス電圧の調整による圧電特性の制御について示す図である。It is a figure which shows the control of the piezoelectric characteristic by adjusting a bias voltage.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, the parts that are the same or equal to each other will be described with the same reference numerals.

(第1実施形態)
第1実施形態の圧電センサについて、図1ないし図3を参照して述べる。図2では、本実施形態の圧電センサ全体の構成を分かり易くするために、後述する電荷検出部30のうちオペアンプ31に接続される他の回路については省略している。図3では、後述する圧電材料13aの多結晶により構成された圧電体層13を備える圧電部10に、直流バイアス電圧を印加する前後における圧電体層13の分極の様子を示している。また、図3では、後述する圧電材料13aの結晶ごとの分極の方向を矢印で示すと共に、圧電部10および電圧供給部20以外の構成要素については省略している。
(First Embodiment)
The piezoelectric sensor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In FIG. 2, in order to make the configuration of the entire piezoelectric sensor of the present embodiment easy to understand, the other circuits of the charge detection unit 30 described later, which are connected to the operational amplifier 31, are omitted. FIG. 3 shows the state of polarization of the piezoelectric layer 13 before and after applying a DC bias voltage to the piezoelectric portion 10 including the piezoelectric layer 13 composed of polycrystals of the piezoelectric material 13a described later. Further, in FIG. 3, the direction of polarization of the piezoelectric material 13a described later for each crystal is indicated by an arrow, and components other than the piezoelectric portion 10 and the voltage supply portion 20 are omitted.

本実施形態の圧電センサは、図1に示す圧電部10のうち圧電体層13が変形した量、すなわち変位量に応じて生じる電荷を検出信号として出力し、当該信号に基づき圧電部10にかかった物理量などを検出するセンサとして用いられる。本実施形態の圧電センサは、例えば、ジャイロセンサなどに適用されると好適である。 The piezoelectric sensor of the present embodiment outputs as a detection signal the amount of deformation of the piezoelectric layer 13 in the piezoelectric portion 10 shown in FIG. 1, that is, the electric charge generated according to the displacement amount, and applies the piezoelectric portion 10 based on the signal. It is used as a sensor to detect physical quantities. The piezoelectric sensor of this embodiment is suitable for being applied to, for example, a gyro sensor.

本実施形態の圧電センサは、図1に示すように、互いに向き合う第1電極11および第2電極12と両電極に挟まれた圧電体層13とを有してなる圧電部10と、第1電極11に接続された電圧供給部20および電荷検出部30と、を備える。 As shown in FIG. 1, the piezoelectric sensor of the present embodiment has a piezoelectric portion 10 having a first electrode 11 and a second electrode 12 facing each other and a piezoelectric layer 13 sandwiched between both electrodes, and a first one. A voltage supply unit 20 and a charge detection unit 30 connected to the electrode 11 are provided.

本実施形態の圧電センサは、電圧供給部20から所定の直流バイアス電圧が印加された圧電部10に物理的な力、例えばコリオリ力などが作用した際の圧電体層13の変形により生じる電荷量に応じた信号を電荷検出部30で検出する構成とされている。これにより、本実施形態の圧電センサは、圧電部10に作用した所定の物理量を検出できる。 In the piezoelectric sensor of the present embodiment, the amount of electric charge generated by the deformation of the piezoelectric layer 13 when a physical force, for example, a colliori force, is applied to the piezoelectric portion 10 to which a predetermined DC bias voltage is applied from the voltage supply unit 20. The charge detection unit 30 detects the signal corresponding to the above. Thereby, the piezoelectric sensor of the present embodiment can detect a predetermined physical quantity acting on the piezoelectric unit 10.

圧電部10は、本実施形態では、図1に示すように、第2電極12、圧電体層13、第1電極11がこの順で図示しないシリコンなどによる基板上に積層された構成とされ、圧電体層13の変位量に応じた電荷を信号として出力する働きを果たす。圧電部10は、本実施形態では、圧電部10の変形に伴って生じる電荷を信号として出力する構成とされている。 In the present embodiment, the piezoelectric portion 10 has a configuration in which the second electrode 12, the piezoelectric layer 13, and the first electrode 11 are laminated on a substrate made of silicon or the like (not shown in this order) in this order, as shown in FIG. It functions to output a charge corresponding to the amount of displacement of the piezoelectric layer 13 as a signal. In the present embodiment, the piezoelectric unit 10 is configured to output as a signal the electric charge generated by the deformation of the piezoelectric unit 10.

第1電極11は、図1に示すように、圧電体層13の上面に形成される上部電極であり、電圧供給部20に接続されている。第2電極12は、図1もしくは図2に示すように、圧電体層13の下面に形成されると共に、基準電位とされる下部電極であり、本実施形態では、グランド電極である。 As shown in FIG. 1, the first electrode 11 is an upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric layer 13 and is connected to the voltage supply unit 20. As shown in FIG. 1 or 2, the second electrode 12 is a lower electrode formed on the lower surface of the piezoelectric layer 13 and used as a reference potential, and is a ground electrode in the present embodiment.

圧電体層13は、図3に示すように、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛の略)などの強誘電体によりなる圧電材料13aの薄膜で構成されている。圧電体層13は、何らかの要因で変形すると圧電効果が生じ、その変位量に応じた電荷を発生させるものである。この電荷は、検出信号として出力され、第1電極11を通じて電荷検出部30に伝達される。 As shown in FIG. 3, the piezoelectric layer 13 is composed of a thin film of a piezoelectric material 13a made of a ferroelectric substance such as PZT (abbreviation of lead zirconate titanate). When the piezoelectric layer 13 is deformed for some reason, a piezoelectric effect is generated, and an electric charge corresponding to the amount of displacement thereof is generated. This charge is output as a detection signal and transmitted to the charge detection unit 30 through the first electrode 11.

電圧供給部20は、本実施形態では、強誘電体により構成される圧電体層13における正圧電効果を高めるため、第1電極11と第2電極12との間に例えば数十V/μm程度の電界を生じさせる直流バイアス電圧を第1電極11に印加する電源である。電圧供給部20の果たす役割については、後ほど詳しく説明する。 In the present embodiment, the voltage supply unit 20 has, for example, about several tens of V / μm between the first electrode 11 and the second electrode 12 in order to enhance the positive piezoelectric effect in the piezoelectric layer 13 composed of the ferroelectric substance. It is a power supply that applies a DC bias voltage that generates an electric field to the first electrode 11. The role played by the voltage supply unit 20 will be described in detail later.

電荷検出部30は、本実施形態では、図1もしくは図2に示すように、電圧供給部20により直流バイアス電圧が印加された圧電部10が変形した際の電荷を検出するチャージアンプを備える。電荷検出部30は、本実施形態では、チャージアンプとしてオペアンプ31を備えた構成とされている。 In the present embodiment, the charge detection unit 30 includes a charge amplifier that detects the charge when the piezoelectric unit 10 to which the DC bias voltage is applied by the voltage supply unit 20 is deformed, as shown in FIGS. 1 or 2. In the present embodiment, the charge detection unit 30 is configured to include an operational amplifier 31 as a charge amplifier.

具体的には、図1もしくは図2に示すように、圧電部10のうち第1電極11が電圧供給部20とオペアンプ31の反転入力端子に電気的に接続され、圧電部10のうち第2電極12がグランド電極とされている。そして、オペアンプ31の非反転入力端子については電荷供給部20と別の可変の直流電圧源に接続され、オペアンプ31の出力端子については抵抗32を介して反転入力端子にフィードバックされている。 Specifically, as shown in FIG. 1 or 2, the first electrode 11 of the piezoelectric section 10 is electrically connected to the voltage supply section 20 and the inverting input terminal of the operational amplifier 31, and the second of the piezoelectric sections 10 is connected. The electrode 12 is a ground electrode. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 is connected to the charge supply unit 20 and another variable DC voltage source, and the output terminal of the operational amplifier 31 is fed back to the inverting input terminal via the resistor 32.

物理的な力が加わって圧電部10が変形すると電荷が生じ、これがオペアンプ31の反転入力端子に信号として伝わり、オペアンプ31の出力端子から増幅された信号が出力される。そして、オペアンプ31の出力端子から出力された信号は、図示しない物理量を検出する回路部に伝わり、圧電部10にかかる物理量を検出する。 When a physical force is applied to deform the piezoelectric portion 10, an electric charge is generated, which is transmitted as a signal to the inverting input terminal of the operational amplifier 31, and an amplified signal is output from the output terminal of the operational amplifier 31. Then, the signal output from the output terminal of the operational amplifier 31 is transmitted to a circuit unit that detects a physical quantity (not shown), and detects the physical quantity applied to the piezoelectric unit 10.

なお、本実施形態では、オペアンプ31の非反転入力端子に印加する電圧については、電圧供給部20により第1電極11と共に反転入力端子に印加される電圧と同じとされている。つまり、オペアンプ31の反転入力端子と非反転入力端子との電位差が、圧電部10の変位量に応じた電荷量の出力分となるように調整されている。また、図示しない回路部については、例えば、圧電センサを振動センサとする場合、周波数検出回路とされるなど、圧電センサの用途に応じて適宜変更される。 In this embodiment, the voltage applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 is the same as the voltage applied to the inverting input terminal together with the first electrode 11 by the voltage supply unit 20. That is, the potential difference between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 is adjusted so as to be the output of the amount of electric charge corresponding to the amount of displacement of the piezoelectric portion 10. Further, the circuit unit (not shown) is appropriately changed depending on the application of the piezoelectric sensor, for example, when the piezoelectric sensor is a vibration sensor, it is used as a frequency detection circuit.

以上が本実施形態の圧電センサの構成である。次に、本実施形態の圧電センサの製造方法について説明する。なお、本実施形態の圧電センサは、一般的な圧電素子の製造方法で得られる圧電部10に、公知の電源や回路により構成された電圧供給部20および電荷検出部30を接続することで製造される。そのため、ここでは、主に圧電部10の製造方法について簡単に説明する。 The above is the configuration of the piezoelectric sensor of this embodiment. Next, a method of manufacturing the piezoelectric sensor of the present embodiment will be described. The piezoelectric sensor of the present embodiment is manufactured by connecting a voltage supply unit 20 and a charge detection unit 30 configured by a known power supply or circuit to the piezoelectric unit 10 obtained by a general method for manufacturing a piezoelectric element. Will be done. Therefore, here, a method of manufacturing the piezoelectric portion 10 will be briefly described.

まず、例えば、シリコンなどによる基板を用意し、熱酸化などによって基板表面に絶縁層を形成する。続けて、例えば、マスクを用いたスパッタリングなどにより第2電極12となるパターニングされた下部電極を形成する。必要に応じて、基板表面の全面に第2電極12を形成した後に、フォトリソグラフィエッチング法などによりパターニングを行ってもよい。 First, for example, a substrate made of silicon or the like is prepared, and an insulating layer is formed on the surface of the substrate by thermal oxidation or the like. Subsequently, for example, a patterned lower electrode to be the second electrode 12 is formed by sputtering using a mask or the like. If necessary, after forming the second electrode 12 on the entire surface of the substrate surface, patterning may be performed by a photolithography etching method or the like.

その後、第2電極12の全面を覆うPZTを、例えば、スパッタリングやゾルゲル法などにより成膜し、圧電体層13を形成する。そして、圧電体層13上に第1電極11となる上部電極を、例えば、マスクを用いたスパッタリングなどにより、第2電極12と向き合うように形成する。なお、上記の構成の他、必要に応じて、後述する電圧供給部20および電荷検出部30に接続するための回路配線などを、第1電極11や第2電極12の形成の際に形成してもよい。このようにして、本実施形態の圧電センサに用いる圧電部10を製造することができる。 After that, the PZT covering the entire surface of the second electrode 12 is formed into a film by, for example, sputtering or a sol-gel method to form the piezoelectric layer 13. Then, the upper electrode to be the first electrode 11 is formed on the piezoelectric layer 13 so as to face the second electrode 12 by, for example, sputtering using a mask. In addition to the above configuration, if necessary, circuit wiring and the like for connecting to the voltage supply unit 20 and the charge detection unit 30, which will be described later, are formed when the first electrode 11 and the second electrode 12 are formed. You may. In this way, the piezoelectric portion 10 used in the piezoelectric sensor of the present embodiment can be manufactured.

次に、電圧供給部20による圧電部10の電界印加処理およびこれによる正圧電効果の向上について、図3を参照して説明する。 Next, the electric field application process of the piezoelectric section 10 by the voltage supply section 20 and the improvement of the positive piezoelectric effect by the electric field application process will be described with reference to FIG.

なお、以下でいう「分極の方向」とは、分極により結晶格子中に生じる負の電荷中心から正の電荷中心へ向かう方向をいう。また、後述する「電界の方向」とは、圧電部10において基準電位とされた第2電極12と直流バイアス電圧が印加された第1電極11との間における高電位の電極から低電位の電極へと向かう方向をいう。さらに、後述する「正の直流バイアス電圧」とは、第1電極11に印加する直流バイアス電圧のうち、圧電体層13の分極方向と電極11、12間の電界の方向とが一致する極性の電圧をいう。また、厳密には、圧電材料13aの1つの結晶中にも多方向の分極が生じるが、図3では便宜的に、結晶ごとに1つの結晶全体の分極の方向を矢印で示しており、矢印の長さが図示の関係上異なる部分があるが、結晶ごとの分極の度合いの強弱を示すものではない。 The "direction of polarization" referred to below means a direction from a negative charge center generated in the crystal lattice due to polarization toward a positive charge center. Further, the "direction of the electric field" described later is a high-potential to low-potential electrode between the second electrode 12 as the reference potential in the piezoelectric portion 10 and the first electrode 11 to which the DC bias voltage is applied. The direction toward. Further, the “positive DC bias voltage” described later is a polarity of the DC bias voltage applied to the first electrode 11 in which the polarization direction of the piezoelectric layer 13 and the direction of the electric field between the electrodes 11 and 12 coincide with each other. Refers to voltage. Strictly speaking, multi-directional polarization also occurs in one crystal of the piezoelectric material 13a, but for convenience in FIG. 3, the direction of polarization of one crystal as a whole is indicated by an arrow for each crystal, and the arrow indicates. Although there are parts where the lengths of the crystals differ due to the relationship shown in the figure, they do not indicate the strength of the degree of polarization for each crystal.

図3(a)では、直流バイアス電圧を印加する前の圧電部10の状態を示している。圧電体層13は、例えばPZTなどの強誘電体により構成され、図3(a)に示すように、その層内にPZTの結晶を有し、多結晶により構成されている。 FIG. 3A shows the state of the piezoelectric portion 10 before applying the DC bias voltage. The piezoelectric layer 13 is composed of a ferroelectric substance such as PZT, and as shown in FIG. 3A, has PZT crystals in the layer and is composed of polycrystals.

ここで、一般的に、強誘電体の結晶は、電界がかかっていない状態においても分極、すなわち自発分極しており、結晶それぞれが別個の分極の方向を有している。そのため、電圧供給部20による正の直流バイアス電圧が印加されていない状況では、圧電体層13は、図3(a)で示す矢印のように、強誘電体の結晶それぞれが1つの結晶ごとに分極の方向を有した状態となっている。ただし、圧電体層13を構成する強誘電体の多結晶は、ある程度分極の方向が揃っている一方で、多結晶のうち一部の結晶が、当該圧電体層13を構成する強誘電体の他の結晶の分極の方向と異なる方向を指す状態である。言わば、圧電体層13は、二以上の異なる多方向を指す分極の方向を包含する状態である。 Here, in general, a ferroelectric crystal is polarized, that is, spontaneously polarized even in a state where an electric field is not applied, and each crystal has a different direction of polarization. Therefore, in a situation where a positive DC bias voltage is not applied by the voltage supply unit 20, the piezoelectric layer 13 has a ferroelectric crystal for each crystal as shown by the arrow in FIG. 3 (a). It is in a state of having a direction of polarization. However, while the polycrystals of the ferroelectric substance constituting the piezoelectric layer 13 have the directions of polarization to some extent, some of the crystals of the polycrystal are of the ferroelectric substance constituting the piezoelectric layer 13. It is a state that points in a direction different from the direction of polarization of other crystals. So to speak, the piezoelectric layer 13 is a state including two or more different directions of polarization.

この状態においても、圧電体層13が何らかの作用により変形すると、層内での電荷の偏りによる電荷の発生、すなわち正圧電効果が生じる。しかしながら、図3(a)に示すように、圧電体層13は、層内における多結晶のうち一部の結晶の分極の方向が他の結晶の分極の方向と異なる多方向を向いている状態となっている。そのため、圧電体層13内で異なる分極の方向を多数有することから、圧電体層13全体としての分極の度合いがまだ十分でない。この影響により、圧電部10は、圧電体層13の変位により得られる電荷の量、すなわち正圧電効果が抑えられてしまう。 Even in this state, if the piezoelectric layer 13 is deformed by some action, the electric charge is generated due to the bias of the electric charge in the layer, that is, the positive piezoelectric effect is generated. However, as shown in FIG. 3A, the piezoelectric layer 13 is in a state in which the polarization direction of some of the polycrystals in the layer is different from the polarization direction of the other crystals. It has become. Therefore, since the piezoelectric layer 13 has many different polarization directions, the degree of polarization of the piezoelectric layer 13 as a whole is not yet sufficient. Due to this effect, the piezoelectric portion 10 suppresses the amount of electric charge obtained by the displacement of the piezoelectric layer 13, that is, the positive piezoelectric effect.

これに対して、図3(b)では、例えば正の直流バイアス電圧が第1電極11に印加された圧電部10の状態を示している。 On the other hand, FIG. 3B shows a state of the piezoelectric portion 10 in which, for example, a positive DC bias voltage is applied to the first electrode 11.

ここで、強誘電体の結晶は、電界がかかると自発分極の方向が電界の向きに沿って変化する。この現象を利用して、使用前に熱や電界を強誘電体に印加してその分極の方向を揃えるポーリング処理が知られているが、ポーリング処理により分極の方向が変化した結晶の一部は、この電界が消えると電界を印加する前の状態に戻ってしまう。このポーリング処理後に、強誘電体の結晶のうちポーリング処理前の分極の方向に戻ってしまったものを、ポーリング処理によって変化したまま維持されている他の分極の方向と揃えることで、強誘電体の正圧電効果がより高まると考えられる。 Here, in the ferroelectric crystal, when an electric field is applied, the direction of spontaneous polarization changes along the direction of the electric field. A polling process is known in which heat or an electric field is applied to a ferroelectric substance to align its polarization direction before use, but some crystals whose polarization direction has changed due to the polling process are known. When this electric field disappears, it returns to the state before the electric field was applied. After this polling process, the ferroelectric crystal that has returned to the direction of polarization before the polling process is aligned with the other polarization directions that are maintained unchanged by the polling process. It is considered that the positive piezoelectric effect of is further enhanced.

そこで、図3(b)に示すように、第1電極11に正の直流バイアス電圧を印加する電界印加処理により、圧電体層13を圧電材料13aの結晶ごとの分極の方向が揃った状態のままにする。すなわち、圧電体層13内の多結晶のうち他の結晶と異なる分極の方向を有していた結晶の分極の向きが、電界印加処理により当該他の結晶の分極の向きと揃った状態のまま維持されるため、圧電体層13内の電荷の偏りが大きくなる。 Therefore, as shown in FIG. 3B, the piezoelectric layer 13 is in a state where the directions of polarization of the piezoelectric material 13a are aligned for each crystal by the electric field application process in which a positive DC bias voltage is applied to the first electrode 11. Leave it alone. That is, among the polycrystals in the piezoelectric layer 13, the polarization direction of the crystal having a different polarization direction from that of the other crystals remains aligned with the polarization direction of the other crystals by the electric field application treatment. Since it is maintained, the charge bias in the piezoelectric layer 13 becomes large.

なお、ここでいう「分極の方向が揃った状態」とは、圧電材料13aの結晶ごとの分極の方向が完全に一致した状態だけを指すのではない。具体的には、「分極の方向が揃った状態」とは、図3(b)に示すように、圧電材料13aの結晶ごとの分極の方向が、第1電極11と第2電極12との間に印加された電界の方向X(以下、単に「電界の方向X」という)にある程度沿った状態を含む意味である。 The "state in which the directions of polarization are aligned" here does not mean only a state in which the directions of polarization of each crystal of the piezoelectric material 13a are completely the same. Specifically, as shown in FIG. 3B, the "state in which the directions of polarization are aligned" means that the directions of polarization of the piezoelectric material 13a for each crystal are the first electrode 11 and the second electrode 12. It is meant to include a state along the direction X of the electric field applied between them (hereinafter, simply referred to as "direction X of the electric field") to some extent.

言い換えると、「分極の方向が揃った状態」とは、圧電材料13aの結晶ごとの分極の方向が、電界の方向Xとある程度揃った状態となって、直流バイアス電圧が印加される前の状態に比べて、圧電体層13全体としての分極の度合いが向上した状態である。 In other words, the "state in which the directions of polarization are aligned" is a state in which the directions of polarization of each crystal of the piezoelectric material 13a are aligned to some extent with the direction X of the electric field, and before the DC bias voltage is applied. In comparison with the above, the degree of polarization of the piezoelectric layer 13 as a whole is improved.

このような状態とされた圧電体層13が変形した場合、直流バイアス電圧が印加される前の状態(以下「初期状態」という)に比べて、分極度合い、すなわち電荷の偏りが大きいため、同じ変位量に対して得られる電荷量が増えることとなる。つまり、電圧供給部20により圧電部10に直流バイアス電圧を印加した状態においては、初期状態に比べて圧電部10の正圧電効果が向上する。 When the piezoelectric layer 13 in such a state is deformed, the degree of polarization, that is, the charge bias is larger than that in the state before the DC bias voltage is applied (hereinafter referred to as “initial state”), so that it is the same. The amount of charge obtained will increase with respect to the amount of displacement. That is, in the state where the DC bias voltage is applied to the piezoelectric unit 10 by the voltage supply unit 20, the positive piezoelectric effect of the piezoelectric unit 10 is improved as compared with the initial state.

具体的には、図4に示す直流バイアス電圧に対する圧電体層13の圧電定数の予想特性のグラフを参照して説明する。なお、図4の予想特性は、電界印加処理により強誘電体の結晶の分極方向が揃うことで圧電体層13全体の分極度合いが増すことを考慮すると、理論的には当然に導き出されると予想されるものである。 Specifically, it will be described with reference to the graph of the predicted characteristic of the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 with respect to the DC bias voltage shown in FIG. The predicted characteristics of FIG. 4 are expected to be theoretically derived in consideration of the fact that the degree of polarization of the entire piezoelectric layer 13 is increased by aligning the polarization directions of the ferroelectric crystals by the electric field application treatment. Is to be done.

図4では、例えば、直方体状とされた圧電体層13と、圧電体13のうち面積が最も大きい面とこれに向き合う面に形成された直方体状の第1電極11および第2電極12と、によりなる圧電部10の例を示している。具体的には、図4における「バイアス電圧」については、上記の圧電部10のうち第1電極11に印加する直流バイアス電圧(単位:V)を指し、「圧電定数」については、上記の圧電部10のうち圧電体層13の圧電定数d33(単位:C/N)を指す。 In FIG. 4, for example, a rectangular parallelepiped piezoelectric layer 13 and a rectangular parallelepiped first electrode 11 and a second electrode 12 formed on a surface having the largest area and a surface facing the surface of the piezoelectric material 13 are shown. An example of the piezoelectric portion 10 is shown. Specifically, the "bias voltage" in FIG. 4 refers to the DC bias voltage (unit: V) applied to the first electrode 11 of the above-mentioned piezoelectric portion 10, and the "piezoelectric constant" refers to the above-mentioned piezoelectric. Part 10 refers to the piezoelectric constant d 33 (unit: C / N) of the piezoelectric layer 13.

バイアス電圧がゼロ、すなわち圧電部10に電圧を印加していない場合では、圧電体層13内の多結晶のうち一部の結晶の分極の方向が他の結晶の分極の方向と揃っていないため、圧電体層13の変位量に対して生じる電荷量は、抑えられることとなる。しかし、強誘電体により構成された圧電体層13が正圧電効果を生じるため、図4の左端に示すように、バイアス電圧がゼロ、すなわち初期状態であっても圧電体層13の圧電定数は、所定の値となる。 When the bias voltage is zero, that is, when no voltage is applied to the piezoelectric portion 10, the polarization direction of some of the polycrystals in the piezoelectric layer 13 is not aligned with the polarization direction of the other crystals. The amount of electric charge generated with respect to the amount of displacement of the piezoelectric layer 13 can be suppressed. However, since the piezoelectric layer 13 composed of the ferroelectric substance produces a positive piezoelectric effect, as shown at the left end of FIG. 4, the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 is zero even when the bias voltage is zero, that is, even in the initial state. , It becomes a predetermined value.

そして、バイアス電圧を上げていくと、上記で説明したように電界印加処理により圧電体層13内の結晶ごとの分極の方向が徐々に揃っていくため、圧電体層13の圧電定数は初期状態に比べて徐々に上昇する。ただし、バイアス電圧をさらに上げると、圧電体層13内の多結晶のうち分極の方向が変化していないものがほぼなくなるため、図4の右端に示すように、圧電体層13の圧電定数は一定の値で頭打ちになると考えられる。 Then, as the bias voltage is increased, the directions of polarization of each crystal in the piezoelectric layer 13 are gradually aligned by the electric field application process as described above, so that the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 is in the initial state. It rises gradually compared to. However, when the bias voltage is further increased, most of the polycrystals in the piezoelectric layer 13 whose polarization direction has not changed are almost eliminated. Therefore, as shown at the right end of FIG. 4, the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 is set. It is thought that it will reach a plateau at a certain value.

言い換えると、第1電極11にバイアス電圧を印加して圧電材料13aの電界印加処理をすることにより圧電体層13の圧電定数が増加し、圧電部10の正圧電効果が向上する。つまり、圧電部10に所定のバイアス電圧を印加した状態で使用することにより、強誘電体を圧電材料として使用した従来の圧電センサ(以下、単に「従来の圧電センサ」という)に比べて、圧電部10の変位量に対して得られる電荷量が向上すると考えられる。 In other words, by applying a bias voltage to the first electrode 11 to apply an electric field to the piezoelectric material 13a, the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 is increased, and the positive piezoelectric effect of the piezoelectric portion 10 is improved. That is, by using the piezoelectric portion 10 in a state where a predetermined bias voltage is applied, the piezoelectric sensor is compared with a conventional piezoelectric sensor (hereinafter, simply referred to as “conventional piezoelectric sensor”) using a ferroelectric material as a piezoelectric material. It is considered that the amount of charge obtained is improved with respect to the amount of displacement of the portion 10.

本実施形態によれば、圧電部10が所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされることで、従来の圧電センサに比べて、圧電体層13の変位量に対して得られる電荷量が向上した、すなわち感度の高い圧電センサとなる。 According to the present embodiment, since the piezoelectric portion 10 can be used while applying a predetermined bias voltage, the amount of electric charge obtained with respect to the displacement amount of the piezoelectric layer 13 as compared with the conventional piezoelectric sensor. That is, it becomes a piezoelectric sensor with high sensitivity.

(第2実施形態)
第2実施形態の圧電センサについて、図5、図6を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図5では、圧電部10以外の構成要素を省略し、図6では、圧電部10および電圧供給部20以外の構成要素を省略している。
(Second Embodiment)
The piezoelectric sensor of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. In order to make the configuration easier to understand, the components other than the piezoelectric section 10 are omitted in FIG. 5, and the components other than the piezoelectric section 10 and the voltage supply section 20 are omitted in FIG.

本実施形態の圧電センサは、図5に示すように、圧電部10が基板50の一面50a上に第2電極12、圧電体層13、第1電極11の順に形成され、さらに第1電極11上に反り抑制層40が積層された構成とされている点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。 In the piezoelectric sensor of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the piezoelectric portion 10 is formed on one surface 50a of the substrate 50 in the order of the second electrode 12, the piezoelectric layer 13, and the first electrode 11, and further, the first electrode 11 is formed. It differs from the first embodiment in that the warp suppressing layer 40 is laminated on the top. In this embodiment, this difference will be mainly described.

反り抑制層40は、第1電極11上に形成され、第1電極11に正圧電効果の向上の目的で印加される直流バイアス電圧を印加した際に、圧電部10の反りを抑制するために設けられる層である。 The warp suppressing layer 40 is formed on the first electrode 11 and is used to suppress the warp of the piezoelectric portion 10 when a DC bias voltage applied to the first electrode 11 for the purpose of improving the positive piezoelectric effect is applied. It is a layer to be provided.

具体的には、第1電極11に直流バイアス電圧を印加された時(以下「バイアス電圧印加時」という)において、圧電体層13には、逆圧電効果により、圧電体層13のなす平面内の方向(以下「面内方向」という)に収縮変形する。 Specifically, when a DC bias voltage is applied to the first electrode 11 (hereinafter referred to as “when a bias voltage is applied”), the piezoelectric layer 13 is in the plane formed by the piezoelectric layer 13 due to the inverse piezoelectric effect. Shrinks and deforms in the direction of (hereinafter referred to as "in-plane direction").

このような圧電体層13の面内方向の収縮応力により、圧電部10には、全体として基板50側が凸となるように、すなわち図6(a)に示すように、基板50の一面50aから他面50bに向かうY1方向へ反る作用が生じる。そのため、反り抑制層40が形成されていない場合には、圧電部10は、バイアス電圧印加時において、基板50側が凸となるように反ってしまい得る。このように圧電部10が反った状態では、圧電部10にかかる物理量の測定が正確に行えないおそれがある。 Due to the in-plane shrinkage stress of the piezoelectric layer 13, the piezoelectric portion 10 is convex on the substrate 50 side as a whole, that is, from one surface 50a of the substrate 50 as shown in FIG. 6A. An action of warping in the Y1 direction toward the other surface 50b occurs. Therefore, when the warp suppressing layer 40 is not formed, the piezoelectric portion 10 may warp so that the substrate 50 side becomes convex when a bias voltage is applied. When the piezoelectric portion 10 is warped in this way, the physical quantity applied to the piezoelectric portion 10 may not be accurately measured.

そこで、図6(b)に示すように、バイアス電圧印加時の圧電体層13の収縮応力と反対方向の内部応力が働き、圧電部10全体として基板50側と反対側が凸となる方向へ反る作用が生じる反り抑制層40が第1電極11上に形成された構造とする。これにより、図6(b)に示すように、圧電部10は、バイアス電圧印加時において圧電体層13にY1方向への反りの作用が生じても、反り抑制層40によるY1方向と反対のY2方向への反りの作用により相殺される。 Therefore, as shown in FIG. 6B, an internal stress in the direction opposite to the contraction stress of the piezoelectric layer 13 when a bias voltage is applied acts, and the entire piezoelectric portion 10 is opposed to the direction in which the side opposite to the substrate 50 side becomes convex. The structure is such that the warp suppressing layer 40 is formed on the first electrode 11. As a result, as shown in FIG. 6B, even if the piezoelectric layer 13 is warped in the Y1 direction when the bias voltage is applied, the piezoelectric portion 10 is opposite to the Y1 direction by the warp suppressing layer 40. It is offset by the action of warping in the Y2 direction.

具体的には、第1電極11へのバイアス電圧印加時には、圧電体層13のうち一面50a側には収縮応力が生じ、一面50aの反対側には引張り応力が生じる。そこで、圧電体層13側で収縮応力が生じ、圧電体層13の反対側で引張り応力が生じる反り抑制層40が圧電体層13上に形成された構成とする。これにより、圧電体層13の引張り応力が反り抑制層40の収縮応力により相殺され、圧電部10は、バイアス電圧印加時に、物理量の検出に支障が出るほどの反りが生じることが抑制されることとなる。 Specifically, when a bias voltage is applied to the first electrode 11, contraction stress is generated on the one side 50a side of the piezoelectric layer 13, and tensile stress is generated on the opposite side of the one side 50a. Therefore, the warp suppressing layer 40 in which the shrinkage stress is generated on the piezoelectric layer 13 side and the tensile stress is generated on the opposite side of the piezoelectric layer 13 is formed on the piezoelectric layer 13. As a result, the tensile stress of the piezoelectric layer 13 is canceled by the contraction stress of the warp suppressing layer 40, and the piezoelectric portion 10 is suppressed from being warped to the extent that the detection of the physical quantity is hindered when the bias voltage is applied. It becomes.

反り抑制層40は、例えば、SiOやSiNなどの公知の半導体装置の製造プロセスで一般的に用いられる材料により構成され、スパッタリングなどの真空成膜法などにより形成される。反り抑制層40の内部応力、すなわち面内方向に伸展する力については、上記材料の成膜条件を調整することにより制御でき、例えば、成膜温度や膜厚の調整などの公知の方法により調整できる。 The warp suppressing layer 40 is made of a material generally used in a manufacturing process of a known semiconductor device such as SiO 2 or SiN, and is formed by a vacuum film forming method such as sputtering. The internal stress of the warp suppressing layer 40, that is, the force extending in the in-plane direction can be controlled by adjusting the film forming conditions of the above material, and is adjusted by a known method such as adjusting the film forming temperature and the film thickness. can.

なお、反り抑制層40は、本実施形態では、第1電極11上に形成されているが、バイアス電圧印加時に圧電体層13が反る方向と反対方向に反るような内部応力を有する膜が形成されていればよいため、例えば他面50b上や他の部位に形成されていてもよい。また、反り抑制層40の材料、膜厚などについては、任意であり、圧電体層13の構成に応じて適宜調整される。 The warp suppression layer 40 is formed on the first electrode 11 in the present embodiment, but is a film having an internal stress such that the piezoelectric layer 13 warps in the direction opposite to the warp direction when a bias voltage is applied. Is formed, for example, it may be formed on the other surface 50b or on another part. The material, film thickness, and the like of the warp suppressing layer 40 are arbitrary and are appropriately adjusted according to the configuration of the piezoelectric layer 13.

本実施形態によれば、上記第1実施形態と同様に、圧電部10に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされることで、感度の高い圧電センサとなる。また、バイアス電圧印加時の圧電部10の反りを抑制でき、安定して圧電部10に作用した物理量を検出できる圧電センサとなる。 According to the present embodiment, similarly to the first embodiment, the piezoelectric sensor has a high sensitivity because it can be used while the predetermined bias voltage is applied to the piezoelectric portion 10. Further, the piezoelectric sensor can suppress the warp of the piezoelectric portion 10 when a bias voltage is applied, and can stably detect the physical quantity acting on the piezoelectric portion 10.

(第3実施形態)
第3実施形態の圧電センサについて、図7、図8を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図7では、圧電部10以外の構成要素を省略し、図8では、圧電部10および電圧供給部20以外の構成要素を省略している。
(Third Embodiment)
The piezoelectric sensor of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8. In order to make the configuration easier to understand, the components other than the piezoelectric section 10 are omitted in FIG. 7, and the components other than the piezoelectric section 10 and the voltage supply section 20 are omitted in FIG.

本実施形態の圧電センサは、図7に示すように、圧電部10が、上記第2実施形態の圧電部10のうち反り抑制層40が、反り抑制層41と第3電極43とに置き換えられた構造とされている点で上記第2実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。 In the piezoelectric sensor of the present embodiment, as shown in FIG. 7, the piezoelectric portion 10 has the piezoelectric portion 10 of the second embodiment in which the warp suppressing layer 40 is replaced with the warp suppressing layer 41 and the third electrode 43. It differs from the above-mentioned second embodiment in that it has a structure. In this embodiment, this difference will be mainly described.

反り抑制層41は、バイアス電圧印加時において圧電体層13に生じる反りの作用と反対側に反る作用を生じさせ、圧電部10全体として反ることを抑制するために設けられる。反り抑制層41は、強誘電体と異なる任意の圧電材料、例えば、AlN、ZnOやScAlNなどにより構成される。 The warp suppressing layer 41 is provided to cause a warping action on the opposite side to the warping action generated on the piezoelectric layer 13 when a bias voltage is applied, and to suppress the warping of the piezoelectric portion 10 as a whole. The warp suppressing layer 41 is made of any piezoelectric material different from the ferroelectric material, for example, AlN, ZnO, ScAlN, or the like.

反り抑制層41上には、第3電極43が形成されている。そして、第1電極11、圧電体層13および第2電極12を便宜的に第1圧電部として、第1電極11、反り抑制層41および第3電極43が第2圧電部を構成している。第2圧電部は、上記第2実施形態における反り抑制層40と同様に、第1圧電部へのバイアス電圧印加時において、第1圧電部の反り方向であるY1方向と反対方向のY2方向側が凸になるように反る作用が生じる構成とされている。これにより、圧電部10は、バイアス電圧印加時の反りが抑制される構造となる。 A third electrode 43 is formed on the warp suppressing layer 41. The first electrode 11, the piezoelectric layer 13, and the second electrode 12 are conveniently used as the first piezoelectric portion, and the first electrode 11, the warp suppression layer 41, and the third electrode 43 form the second piezoelectric portion. .. Similar to the warp suppression layer 40 in the second embodiment, the second piezoelectric portion has a Y2 direction side opposite to the Y1 direction, which is the warp direction of the first piezoelectric portion, when a bias voltage is applied to the first piezoelectric portion. It is configured to warp so as to be convex. As a result, the piezoelectric portion 10 has a structure in which warpage when a bias voltage is applied is suppressed.

具体的には、圧電体層13は、上記第2実施形態での説明と同様にバイアス電圧印加時において、面内方向に向かって収縮変形する結果、基板50側が凸となるように、すなわち図8に示すY1方向側が凸となるように反る作用が生じる。そのため、バイアス電圧印加時に圧電部10が全体として反ることを抑制するためには、図8に示すように、第2圧電部を第1圧電部が反るY1方向と反対のY2方向側が凸になるように反る作用が働くように駆動させればよい。つまり、第2圧電部のうち反り抑制層41内に第1圧電部の応力と反対方向の応力を働かせ、第1圧電部の応力を相殺することで、圧電部10の反りが抑制される。 Specifically, the piezoelectric layer 13 contracts and deforms in the in-plane direction when a bias voltage is applied, as described in the second embodiment, so that the substrate 50 side becomes convex, that is, the figure. A warping action occurs so that the Y1 direction side shown in 8 becomes convex. Therefore, in order to prevent the piezoelectric portion 10 from warping as a whole when a bias voltage is applied, as shown in FIG. 8, the second piezoelectric portion is convex on the Y2 direction opposite to the Y1 direction in which the first piezoelectric portion warps. It suffices to drive so that the warping action works so as to become. That is, the warp of the piezoelectric portion 10 is suppressed by exerting a stress in the direction opposite to the stress of the first piezoelectric portion in the warp suppressing layer 41 of the second piezoelectric portion and canceling the stress of the first piezoelectric portion.

反り抑制層41は、本実施形態では、強誘電体と異なる圧電材料とされる。強誘電体は、抗電界を越える電圧を印加するとその分極の方向が反転する性質を有していることから、強誘電体による層の面内方向に収縮する変形をするものの、当該面内方向に伸展する変形をしないためである。つまり、第2圧電部を面内方向に伸展する力が働く構成とするためには、反り抑制層41を面内方向に伸展する圧電材料、すなわち強誘電体と異なる誘電材料とする必要がある。 In the present embodiment, the warp suppressing layer 41 is made of a piezoelectric material different from the ferroelectric substance. Ferroelectrics have the property that their polarization direction is reversed when a voltage exceeding the coercive electric field is applied. Therefore, although the ferroelectric substance deforms to shrink in the in-plane direction of the layer, the in-plane direction thereof. This is because it does not deform to extend to. That is, in order to have a configuration in which a force that extends the second piezoelectric portion in the in-plane direction acts, it is necessary to use a piezoelectric material that extends the warp suppressing layer 41 in the in-plane direction, that is, a dielectric material different from the ferroelectric material. ..

なお、反り抑制層41の材料や膜厚については、任意であり、第1圧電部の構成に応じて適宜変更される。また、第3電極43は、第2圧電部を駆動させるために、電圧供給部20と異なる駆動電源に接続されている。さらに、本実施形態では、第2圧電部を駆動させるための一対の電極として第3電極43と第1電極11を使用しているが、第1電極11と別に電極を形成し、これを第3電極43と共に用いてもよい。 The material and film thickness of the warp suppressing layer 41 are arbitrary and may be appropriately changed according to the configuration of the first piezoelectric portion. Further, the third electrode 43 is connected to a drive power source different from the voltage supply unit 20 in order to drive the second piezoelectric unit. Further, in the present embodiment, the third electrode 43 and the first electrode 11 are used as a pair of electrodes for driving the second piezoelectric portion, but an electrode is formed separately from the first electrode 11 and the first electrode is used. It may be used together with 3 electrodes 43.

本実施形態によれば、上記第2実施形態と同様、圧電部10に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部10の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。 According to the present embodiment, as in the second embodiment, the piezoelectric portion 10 can be used while a predetermined bias voltage is applied to the piezoelectric portion 10, the piezoelectric sensor has high sensitivity, and the piezoelectric portion 10 is used when the bias voltage is applied. It becomes a piezoelectric sensor that can stably detect physical quantities by suppressing the warpage.

(第4実施形態)
第4実施形態の圧電センサについて、図9、図10を参照して述べる。なお、構成を分かり易くするため、図9では、圧電部10以外の構成要素を省略し、図10では、圧電部10および電圧供給部20以外の構成要素を省略している。
(Fourth Embodiment)
The piezoelectric sensor of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. In order to make the configuration easier to understand, the components other than the piezoelectric section 10 are omitted in FIG. 9, and the components other than the piezoelectric section 10 and the voltage supply section 20 are omitted in FIG.

本実施形態の圧電センサは、図9に示すように、圧電部10が基板50と、基板50の一面50a上に形成された第1圧電部と、該一面50aの反対側の他面50b上に形成された反り抑制層42とにより構成されている点で上記第2実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。 In the piezoelectric sensor of the present embodiment, as shown in FIG. 9, the piezoelectric portion 10 is formed on the substrate 50, the first piezoelectric portion formed on one surface 50a of the substrate 50, and the other surface 50b on the opposite side of the one surface 50a. It differs from the second embodiment in that it is composed of the warp suppressing layer 42 formed in the above. In this embodiment, this difference will be mainly described.

反り抑制層42は、反り抑制層40、41と同様の目的で形成される層であり、図9に示すように、基板50の他面50b上に第4電極421、圧電体膜423、第5電極422の順に積層された構成とされている。 The warp suppressing layer 42 is a layer formed for the same purpose as the warp suppressing layers 40 and 41, and as shown in FIG. 9, the fourth electrode 421, the piezoelectric film 423, and the fourth electrode 421 are placed on the other surface 50b of the substrate 50. The configuration is such that the five electrodes 422 are stacked in this order.

反り抑制層42は、本実施形態では、例えば、第1圧電部と同じ構成とされている。具体的には、圧電体膜423は、圧電体層13と同じ強誘電材料により構成されている。そして、反り抑制層42は、第1圧電部へのバイアス電圧印加時において、第4電極421が基準電位とされ、第5電極422に直流バイアス電圧が印加されることで、面内方向に収縮変形する。つまり、反り抑制層42は、第1圧電部へのバイアス電圧印加時において、第1圧電部と同時に駆動され、図10に示すように、圧電体層13のY1方向側が凸になるように反る作用と反対のY2方向側が凸になるように反る作用が働く第3圧電部に相当する。これにより、圧電部10は、バイアス電圧印加時の反りが抑制される構造となる。 In the present embodiment, the warp suppressing layer 42 has the same configuration as, for example, the first piezoelectric portion. Specifically, the piezoelectric film 423 is made of the same ferroelectric material as the piezoelectric layer 13. When the bias voltage is applied to the first piezoelectric portion, the warp suppression layer 42 contracts in the in-plane direction when the fourth electrode 421 is set as the reference potential and the DC bias voltage is applied to the fifth electrode 422. Deform. That is, the warp suppressing layer 42 is driven at the same time as the first piezoelectric portion when the bias voltage is applied to the first piezoelectric portion, and as shown in FIG. 10, the warp suppressing layer 12 is warped so that the Y1 direction side of the piezoelectric layer 13 becomes convex. Corresponds to the third piezoelectric portion in which the action of warping so as to be convex on the Y2 direction side opposite to the action of warping works. As a result, the piezoelectric portion 10 has a structure in which warpage when a bias voltage is applied is suppressed.

なお、反り抑制層42では、第1圧電部と同様に、圧電体膜423を構成する強誘電体の分極の方向が、第4電極421と第5電極422との間の電界の方向と揃うように調整されると共に、当該電界の方向が第1圧電部の電界の方向と逆の方向とされる。これにより、第1圧電部と第3圧電部である反り抑制層42とには、互いに逆方向に反る作用が生じ、第1圧電部の応力が第3圧電部の応力により相殺されることで、圧電部10のバイアス電圧印加時における反りが抑制される。 In the warp suppression layer 42, the direction of polarization of the ferroelectric substance constituting the piezoelectric film 423 is aligned with the direction of the electric field between the fourth electrode 421 and the fifth electrode 422, similarly to the first piezoelectric portion. The direction of the electric field is set to be opposite to the direction of the electric field of the first piezoelectric portion. As a result, the first piezoelectric portion and the warp suppressing layer 42, which is the third piezoelectric portion, have an action of warping in opposite directions, and the stress of the first piezoelectric portion is canceled by the stress of the third piezoelectric portion. Therefore, the warp of the piezoelectric portion 10 when the bias voltage is applied is suppressed.

また、第5電極422には、電圧供給部20と異なる別の直流バイアス電圧電源が接続される。さらに、第4電極421、圧電体膜423、第5電極422のそれぞれは、第1圧電部の第1電極11、圧電体層13、第2電極12に対応し、これらと同じ材料、膜厚などの構成とされてもよいし、異なる構成とされてもよい。第4電極421、圧電体膜423、第5電極422の構成については、任意であり、第1圧電部の構成に応じて適宜変更される。 Further, another DC bias voltage power supply different from the voltage supply unit 20 is connected to the fifth electrode 422. Further, each of the fourth electrode 421, the piezoelectric film 423, and the fifth electrode 422 corresponds to the first electrode 11, the piezoelectric layer 13, and the second electrode 12 of the first piezoelectric portion, and has the same material and film thickness. It may be configured as such, or it may be configured differently. The configurations of the fourth electrode 421, the piezoelectric film 423, and the fifth electrode 422 are arbitrary and may be appropriately changed depending on the configuration of the first piezoelectric portion.

本実施形態によれば、上記第2実施形態と同様、圧電部10に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部10の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。 According to the present embodiment, as in the second embodiment, the piezoelectric portion 10 can be used while a predetermined bias voltage is applied to the piezoelectric portion 10, the piezoelectric sensor has high sensitivity, and the piezoelectric portion 10 is used when the bias voltage is applied. It becomes a piezoelectric sensor that can stably detect physical quantities by suppressing the warpage.

(第5実施形態)
第5実施形態の圧電センサについて、図11、図12を参照して述べる。図11、図12では、構成を分かり易くするため、圧電部10以外の構成部分については省略している。
(Fifth Embodiment)
The piezoelectric sensor of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. In FIGS. 11 and 12, in order to make the configuration easy to understand, the components other than the piezoelectric portion 10 are omitted.

本実施形態の圧電センサは、圧電部10が、基板50と、基板50の一面50a上に長手方向を揃えた状態で並べて配置されるように形成された第1圧電部および反り抑制層44とにより構成されている。また、第1圧電部と反り抑制層44は、図11に示すように、第1圧電部へのバイアス電圧印加時において、一面50aのなす面内方向であって、第1圧電部の長手方向であるZ1方向に対して垂直なZ2方向に沿って反る作用が生じる構成とされている。 The piezoelectric sensor of the present embodiment includes a substrate 50, a first piezoelectric portion formed so that the piezoelectric portions 10 are arranged side by side on one surface 50a of the substrate 50 in a state of aligning the longitudinal directions, and a warp suppressing layer 44. It is composed of. Further, as shown in FIG. 11, the first piezoelectric portion and the warp suppressing layer 44 are in the in-plane direction formed by one surface 50a when a bias voltage is applied to the first piezoelectric portion, and are in the longitudinal direction of the first piezoelectric portion. The configuration is such that a warping action occurs along the Z2 direction perpendicular to the Z1 direction.

具体的には、第1圧電部は、図12に示すように、バイアス電圧印加時にZ2方向に沿って第1圧電部から反り抑制層44へ向かう方向であるZ3方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。より具体的には、第1圧電部は、本実施形態では、図12の白抜き矢印で示すように、長手方向の中心位置においてZ3方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。一方、反り抑制層44は、図12の白抜き矢印で示すように、その長手方向の中心位置においてZ3方向と反対のZ4方向側が凸になるように反る作用が生じる構成とされている。本実施形態の圧電センサは、これらの点で上記第2実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。 Specifically, as shown in FIG. 12, the first piezoelectric portion is counter-convex so that the Z3 direction side, which is the direction from the first piezoelectric portion toward the warp suppression layer 44 along the Z2 direction when a bias voltage is applied, is convex. It is said that the structure causes the above-mentioned action. More specifically, in the present embodiment, the first piezoelectric portion is configured to have a warping action so that the Z3 direction side becomes convex at the center position in the longitudinal direction, as shown by the white arrow in FIG. ing. On the other hand, as shown by the white arrow in FIG. 12, the warp suppressing layer 44 is configured to have a warping action so that the side in the Z4 direction opposite to the Z3 direction becomes convex at the center position in the longitudinal direction. The piezoelectric sensor of this embodiment is different from the second embodiment in these respects. In this embodiment, this difference will be mainly described.

反り抑制層44は、第1圧電部へのバイアス電圧印加時に圧電部10のうちZ3方向側が凸となるように反ることを抑制するために設けられる。反り抑制層44は、一対の電極441、442と強誘電材料によりなり、当該一対の電極に挟まれた圧電体膜443とにより構成されている。 The warp suppressing layer 44 is provided to suppress warping so that the Z3 direction side of the piezoelectric portion 10 becomes convex when a bias voltage is applied to the first piezoelectric portion. The warp suppressing layer 44 is made of a pair of electrodes 441 and 442 and a ferroelectric material, and is composed of a piezoelectric film 443 sandwiched between the pair of electrodes.

具体的には、図12に示すように、第1圧電部は、本実施形態では、バイアス電圧印加時に圧電体層13が、長手方向の中心位置においてZ3方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。そして、反り抑制層44は、図12に示すように、圧電部10の反り抑制のために、長手方向を第1圧電部の長手方向と揃えるように配置されている。そして、反り抑制層44は、図示しない別の直流バイアス電圧を印加すると、長手方向の中心位置においてZ4方向側が凸となるように反る作用が生じる構成とされている。これにより、第1圧電部へのバイアス電圧印加時において第1圧電部に生じる応力が、反り抑制層44に生じる応力により相殺され、バイアス電圧印加時の圧電部10全体の反りが抑制される構造となる。 Specifically, as shown in FIG. 12, in the present embodiment, the first piezoelectric portion has an action in which the piezoelectric layer 13 warps so that the Z3 direction side becomes convex at the center position in the longitudinal direction when a bias voltage is applied. Is configured to occur. Then, as shown in FIG. 12, the warp suppressing layer 44 is arranged so that the longitudinal direction is aligned with the longitudinal direction of the first piezoelectric portion in order to suppress the warp of the piezoelectric portion 10. The warp suppression layer 44 is configured to warp so that the Z4 direction side becomes convex at the center position in the longitudinal direction when another DC bias voltage (not shown) is applied. As a result, the stress generated in the first piezoelectric portion when the bias voltage is applied to the first piezoelectric portion is canceled by the stress generated in the warp suppressing layer 44, and the warp of the entire piezoelectric portion 10 when the bias voltage is applied is suppressed. It becomes.

なお、上記の例においては、第1圧電部がその長手方向の中心位置においてZ3方向側が凸になるように反る作用が生じ、反り抑制層44がその長手方向の中心位置においてZ4方向側が凸になるように反る作用が生じる例について説明した。しかし、反り抑制層44は、バイアス電圧印加時に、第1圧電部と逆方向が凸になるように反る作用が生じる構成とされていればよい。そのため、第1圧電部の反りの作用方向と反り抑制層44の反りの作用方向とが、上記の逆であってもよい。また、このどちらの構成とされていても、第1圧電部は、バイアス電圧印加時において、見かけ上ほとんど変形していない状態、すなわちその長手方向に沿った辺が直線状となる。ここでいう「ほとんど変形していない状態」とは、第1圧電部がバイアス電圧印加時において全く反っていない状態だけを指すのではなく、物理量の検出に支障がない程度にわずかに反った状態も含む。 In the above example, the first piezoelectric portion warps so as to be convex on the Z3 direction side at the center position in the longitudinal direction, and the warp suppressing layer 44 is convex on the Z4 direction side at the center position in the longitudinal direction. An example in which a warping action occurs is described. However, the warp suppression layer 44 may be configured to warp so that the direction opposite to the first piezoelectric portion becomes convex when a bias voltage is applied. Therefore, the direction of action of the warp of the first piezoelectric portion and the direction of action of the warp of the warp suppressing layer 44 may be opposite to the above. Further, in either of these configurations, the first piezoelectric portion is in a state where it is apparently hardly deformed when a bias voltage is applied, that is, the sides along the longitudinal direction thereof are linear. The "state in which there is almost no deformation" here does not mean only the state in which the first piezoelectric part is not warped at all when the bias voltage is applied, but also the state in which the first piezoelectric part is slightly warped to the extent that the detection of the physical quantity is not hindered. Also includes.

また、反り抑制層44は、本実施形態では、圧電部10が何らかの力により基板50の一面50aに対する法線方向(以下、単に「法線方向」という)に沿って反ることを抑制する作用が小さい。そのため、圧電部10が法線方向に沿って反ることを抑制するため、必要に応じて、圧電部10は、法線方向における基板50の板厚を厚くした構成とされてもよい。 Further, in the present embodiment, the warp suppressing layer 44 has an action of suppressing the piezoelectric portion 10 from warping along the normal direction (hereinafter, simply referred to as “normal direction”) with respect to one surface 50a of the substrate 50 by some force. Is small. Therefore, in order to prevent the piezoelectric portion 10 from warping along the normal direction, the piezoelectric portion 10 may be configured to have a thicker plate thickness of the substrate 50 in the normal direction, if necessary.

また、反り抑制層44の一対の電極441、442および圧電体膜443の材料、膜厚については、任意であり、第1圧電部の構成に応じて適宜変更される。さらに、図12では、反り抑制層44が第1圧電部と完全に独立して形成された例を示しているが、反り抑制層44は、これに限られず、例えば、圧電体膜443を圧電体層13と一体で構成し、一対の電極だけを第1圧電部から独立した構成とされてもよい。この場合、反り抑制層44のうち基板50側の電極442に直流バイアス電圧を印加し、基板50と反対側の電極441をグランド電極とすることで、第1圧電部と反対側に反る力が作用する構成となる。 The material and film thickness of the pair of electrodes 441 and 442 of the warp suppressing layer 44 and the piezoelectric film 443 are arbitrary and are appropriately changed according to the configuration of the first piezoelectric portion. Further, FIG. 12 shows an example in which the warp suppressing layer 44 is formed completely independently of the first piezoelectric portion, but the warp suppressing layer 44 is not limited to this, and for example, the piezoelectric film 443 is piezoelectric. It may be configured integrally with the body layer 13 and only a pair of electrodes may be configured independently of the first piezoelectric portion. In this case, a DC bias voltage is applied to the electrode 442 on the substrate 50 side of the warp suppression layer 44, and the electrode 441 on the opposite side to the substrate 50 is used as a ground electrode, whereby a force that warps on the side opposite to the first piezoelectric portion. Will work.

本実施形態によれば、上記第2実施形態と同様、圧電部10に所定のバイアス電圧を印加したまま使用できる構成とされ、感度の高い圧電センサとなると共に、バイアス電圧印加時の圧電部10の反りが抑制され、安定して物理量を検出できる圧電センサとなる。 According to the present embodiment, as in the second embodiment, the piezoelectric portion 10 can be used while a predetermined bias voltage is applied to the piezoelectric portion 10, the piezoelectric sensor has high sensitivity, and the piezoelectric portion 10 is used when the bias voltage is applied. It becomes a piezoelectric sensor that can stably detect physical quantities by suppressing the warpage.

(他の実施形態)
なお、上記した各実施形態に示した圧電センサは、本発明の圧電センサの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The piezoelectric sensor shown in each of the above embodiments shows an example of the piezoelectric sensor of the present invention, and is not limited to each of the above embodiments, but is within the scope of the claims. Can be changed as appropriate.

(1)例えば、上記第1実施形態では、圧電部10の第1電極11に直流バイアス電圧を印加する電圧供給部20として電源を直接接続し、図2に示す回路構成とした例について説明した。しかし、第1電極11に直流バイアス電圧を印加される回路構成とされていればよいため、例えば図13に示す回路構成とされてもよい。 (1) For example, in the first embodiment, an example in which a power supply is directly connected as a voltage supply unit 20 for applying a DC bias voltage to the first electrode 11 of the piezoelectric unit 10 to form the circuit configuration shown in FIG. 2 has been described. .. However, since the circuit configuration may be such that a DC bias voltage is applied to the first electrode 11, the circuit configuration may be shown in FIG. 13, for example.

具体的には、オペアンプ31の仮想短絡を想定し、非反転入力端子にのみ直流バイアス電圧を印加する電源を接続し、出力端子が抵抗を介して反転入力端子にフィードバックされた回路とする。すると、オペアンプ31が、その非反転入力端子と反転入力端子との電位差をゼロにするように働く結果(仮想短絡)、反転入力端子に電気的に接続された第1電極11に直流バイアス電圧が印加されることとなる。これにより、オペアンプ31が電圧供給部20としての役割を果たし、第1電極11に直流バイアス電圧を印加する電源を接続する必要がなくなるものの、圧電部10の正圧電効果を高めた圧電センサとなる。 Specifically, assuming a virtual short circuit of the operational amplifier 31, a power supply that applies a DC bias voltage only to the non-inverting input terminal is connected, and the output terminal is fed back to the inverting input terminal via a resistor. Then, as a result of the operational amplifier 31 working to make the potential difference between the non-inverting input terminal and the inverting input terminal zero (virtual short circuit), a DC bias voltage is applied to the first electrode 11 electrically connected to the inverting input terminal. It will be applied. As a result, the operational amplifier 31 serves as a voltage supply unit 20, and although it is not necessary to connect a power supply that applies a DC bias voltage to the first electrode 11, the piezoelectric sensor has an enhanced positive piezoelectric effect of the piezoelectric unit 10. ..

(2)上記各実施形態の圧電センサは、図14に示すように、第1電極11に印加する直流バイアス電圧を適宜調整することにより、圧電体層13の経時劣化による圧電定数変化や製造バラツキによる圧電定数の変動に対応することができる。なお、図14では、実線で示した(a)の圧電特性が製造直後の状態、すなわち初期の状態の圧電体層13の圧電特性を示し、破線で示した(b)の圧電特性が他の製造ロットの圧電部10の圧電体層13もしくは経時劣化後の圧電体層13の圧電特性を示している。 (2) As shown in FIG. 14, the piezoelectric sensor of each of the above embodiments has a change in piezoelectric constant and manufacturing variation due to deterioration of the piezoelectric layer 13 over time by appropriately adjusting the DC bias voltage applied to the first electrode 11. It is possible to cope with the fluctuation of the piezoelectric constant due to. In FIG. 14, the piezoelectric characteristic of (a) shown by the solid line shows the piezoelectric characteristic of the piezoelectric layer 13 in the state immediately after production, that is, the initial state, and the piezoelectric characteristic of (b) shown by the broken line is another. The piezoelectric characteristics of the piezoelectric layer 13 of the piezoelectric portion 10 of the production lot or the piezoelectric layer 13 after deterioration over time are shown.

具体的には、図14に示すように、圧電体層13は、初期の状態では実線で示す(a)の圧電特性を示すが、時間経過に伴ってその圧電特性が低下し、破線で示す(b)の圧電特性となる。この場合、図14に示すように、電圧供給部20により同じ直流バイアス電圧V1を印加しても、得られる圧電定数α1が圧電特性の低下に伴ってα2へと低下するため、正圧電効果の向上の度合いも低下する。そこで、直流バイアス電圧をV1からV2へ上げる調整を行い、得られる圧電定数をα1に保つことで、圧電部10の変位量に基づいて得られる電荷量が初期状態と同程度になり、圧電定数の変動に対応できる。また、製造バラツキにより圧電体層13の圧電定数が異なる場合にも同様に対応することができる。 Specifically, as shown in FIG. 14, the piezoelectric layer 13 shows the piezoelectric property of (a) shown by a solid line in the initial state, but the piezoelectric property deteriorates with the passage of time and is shown by a broken line. This is the piezoelectric characteristic of (b). In this case, as shown in FIG. 14, even if the same DC bias voltage V1 is applied by the voltage supply unit 20, the obtained piezoelectric constant α1 decreases to α2 as the piezoelectric characteristics decrease, so that the positive piezoelectric effect is exhibited. The degree of improvement also decreases. Therefore, by adjusting the DC bias voltage from V1 to V2 and keeping the obtained piezoelectric constant at α1, the amount of charge obtained based on the displacement amount of the piezoelectric portion 10 becomes about the same as the initial state, and the piezoelectric constant. Can respond to fluctuations in. Further, even when the piezoelectric constant of the piezoelectric layer 13 is different due to the manufacturing variation, it is possible to cope with the same.

なお、この直流バイアス電圧の調整を行うに際して、圧電センサの構成と別に、公知の圧電特性の測定手段を用いる必要がある。 When adjusting the DC bias voltage, it is necessary to use a known piezoelectric characteristic measuring means in addition to the configuration of the piezoelectric sensor.

(3)上記各実施形態では、電圧供給部20に可変のバイアス電圧電源を用いた場合について説明したが、電圧供給部20は必ずしも圧電センサと一体とされている必要はなく、直流バイアス電圧を印加できる配線とされ、別途電源を接続する構成とされてもよい。 (3) In each of the above embodiments, the case where a variable bias voltage power supply is used for the voltage supply unit 20 has been described, but the voltage supply unit 20 does not necessarily have to be integrated with the piezoelectric sensor, and the DC bias voltage is applied. It may be a wiring that can be applied, and may be configured to connect a power supply separately.

(4)上記第1実施形態では、圧電センサを例えばジャイロセンサに適用すると好適である旨を記載したが、単に物理量を検出するセンサとせずに発電に用いる素子とすれば、エネルギーハーベスタなどにも適用可能である。また、本発明の圧電センサは、ジャイロセンサなどに限られず、超音波センサや振動センサなどにも適用可能であり、他のデバイスに適用されてもよい。 (4) In the first embodiment, it is described that it is suitable to apply the piezoelectric sensor to, for example, a gyro sensor. Applicable. Further, the piezoelectric sensor of the present invention is not limited to a gyro sensor or the like, and can be applied to an ultrasonic sensor, a vibration sensor, or the like, and may be applied to other devices.

(5)上記各実施形態では、電圧供給部20による直流バイアス電圧を印加する第1電極11を基板と反対側に、第2電極12を基板側に配置した構成とされているが、この逆の配置とされてもよい。 (5) In each of the above embodiments, the first electrode 11 to which the DC bias voltage applied by the voltage supply unit 20 is applied is arranged on the opposite side of the substrate, and the second electrode 12 is arranged on the substrate side, but the reverse is true. It may be arranged as.

10 圧電部
11 第1電極
12 第2電極
13 圧電体層
13a 圧電材料
20 電圧供給部
30 電荷検出部
31 オペアンプ
40、41、42、44 反り抑制層
10 Piezoelectric part 11 1st electrode 12 2nd electrode 13 Piezoelectric layer 13a Piezoelectric material 20 Voltage supply part 30 Charge detection part 31 Operational amplifiers 40, 41, 42, 44 Warp suppression layer

Claims (3)

圧電材料(13a)によりなる圧電体層(13)と、前記圧電体層に接して形成され、前記圧電体層を隔てて互いに向き合うように配置された第1電極(11)および第2電極(12)と、を有してなる圧電部(10)と、
前記圧電体層の変位により生じる電荷を検出する際に、当該変位前にあらかじめ前記圧電材料の分極方向を揃えるための直流バイアス電圧を前記第1電極に印加するための電圧供給部(20、31)と、を備え、
前記圧電材料は、強誘電材料であり、
前記圧電体層は、薄膜状とされ、前記圧電体層を構成する前記圧電材料の自発分極の方向が複数存在し、かつ、複数の自発分極の方向が異なる二以上の方向を向く構成とされており、
前記圧電部は、基板(50)の一面(50a)上に前記第2電極、前記圧電体層、前記第1電極の順に形成された構成を有すると共に、前記第1電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記圧電体層には前記一面に対する法線方向に沿って反る力が働き、
前記第1電極上には、前記直流バイアス電圧が前記第1電極に印加された際において前記圧電体層が反る方向の反対方向に反る力を発生させる反り抑制層(41)が形成されており、
前記反り抑制層上には、第3電極(43)が形成されており、
前記反り抑制層は、強誘電材料と異なる誘電材料により構成されると共に、前記第1電極に前記直流バイアス電圧が印加された際には、前記第3電極に所定の電圧が印加されることにより前記圧電体層の反りの方向と反対方向に反る層である圧電センサ。
A first electrode (11) and a second electrode (11) formed in contact with the piezoelectric layer (13) made of the piezoelectric material (13a) and arranged so as to face each other across the piezoelectric layer. 12), and the piezoelectric portion (10) having the
When detecting the electric charge generated by the displacement of the piezoelectric layer, the voltage supply unit (20, 31) for applying a DC bias voltage for aligning the polarization directions of the piezoelectric material to the first electrode in advance before the displacement. ) And, with
The piezoelectric material is a ferroelectric material and is
The piezoelectric layer is formed into a thin film, and the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer has a plurality of spontaneous polarization directions, and the plurality of spontaneous polarization directions are different from each other. And
The piezoelectric portion has a configuration in which the second electrode, the piezoelectric layer, and the first electrode are formed in this order on one surface (50a) of the substrate (50), and the DC bias voltage is applied to the first electrode. When applied, a force that warps the piezoelectric layer along the normal direction with respect to the one surface acts on the piezoelectric layer.
A warp suppressing layer (41) is formed on the first electrode to generate a warping force in the direction opposite to the warping direction of the piezoelectric layer when the DC bias voltage is applied to the first electrode. And
A third electrode (43) is formed on the warp suppressing layer.
The warp suppression layer is made of a dielectric material different from the piezoelectric material, and when the DC bias voltage is applied to the first electrode, a predetermined voltage is applied to the third electrode. A piezoelectric sensor that is a layer that warps in a direction opposite to the warp direction of the piezoelectric layer.
前記圧電部のうち前記第1電極は、前記電圧供給部に接続され、
前記圧電部のうち前記第2電極は、基準電位とされ、
前記電圧供給部は、前記圧電部が前記圧電体層の変位により生じる電荷量に応じた信号を出力する電荷検出部(30)の一部を構成するオペアンプ(31)の反転入力端子に接続され、
前記オペアンプの非反転入力端子は、可変の直流電圧電源が接続され、
前記オペアンプの出力端子に生じる電位に基づいて前記圧電体層の変位により生じる電荷を検出する構成とされており、
前記電圧供給部により前記第1電極に印加される電位と前記直流電圧電源により前記非反転入力端子に印加される電位とが同じである請求項1に記載の圧電センサ。
The first electrode of the piezoelectric portion is connected to the voltage supply portion.
The second electrode of the piezoelectric portion has a reference potential and is set to a reference potential.
The voltage supply unit is connected to an inverting input terminal of an operational amplifier (31) that constitutes a part of a charge detection unit (30) in which the piezoelectric unit outputs a signal corresponding to the amount of charge generated by the displacement of the piezoelectric layer. ,
A variable DC voltage power supply is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.
The electric charge generated by the displacement of the piezoelectric layer is detected based on the potential generated in the output terminal of the operational amplifier.
The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the potential applied to the first electrode by the voltage supply unit and the potential applied to the non-inverting input terminal by the DC voltage power supply are the same.
前記圧電部のうち前記第1電極は、前記圧電部が前記圧電体層の変位により生じる電荷量に応じた信号を出力する電荷検出部(30)の一部を構成するオペアンプ(31)の反転入力端子に接続され、
前記圧電部のうち前記第2電極は、基準電位とされ、
前記オペアンプの非反転入力端子は、可変の直流電圧電源が接続されており、
前記オペアンプは、前記非反転入力端子に印加された電圧に起因して生じる出力端子の電位を前記第1電極に印加する前記電圧供給部として機能する構成とされた請求項1に記載の圧電センサ。
Of the piezoelectric portions, the first electrode is an inversion of an operational amplifier (31) that constitutes a part of a charge detection unit (30) in which the piezoelectric portion outputs a signal according to the amount of charge generated by the displacement of the piezoelectric layer. Connected to the input terminal,
The second electrode of the piezoelectric portion has a reference potential and is set to a reference potential.
A variable DC voltage power supply is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier.
The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the operational amplifier functions as the voltage supply unit that applies the potential of the output terminal generated by the voltage applied to the non-inverting input terminal to the first electrode. ..
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