JPH0346991B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は弾性の変化を検出するためのデバイス
の製造方法、より詳細にはこれらの検出素子にお
ける動的曲げモーメントを検出するための圧電素
子の製造方法に関する。この種のデバイスの１つ
の用途は、マルチセンサーレートジヤイロにおけ
るコリオリ加速度の検出および測定である。

一般に、好ましい圧電素子の形状は、互いに接
着された２層の圧電材料からなる“圧電対”の形
である。圧電材料はこれらに軸方向応力が与えら
れるとこれらの層の表面間に電圧が生じる状態で
分極する。この種の圧電対を構成するためには、
導電性材料が混入されたエポキシ樹脂を用いて圧
電層を互いに接着する。しかしエポキシ型接着を
用いると、温度変化に基づく差膨脹によつて圧電
材料中にバイアス応力が誘発されるであろう。こ
れらのバイアス応力はそれ自体では有害でない。
これらは補償しうる温度誘発性の尺度因子として
現われるにすぎないからである。しかしいかなる
形の接着剤結合についても温度誘発性応力は経時
的に緩和し、これにより阻止するのに十分なほど
大きな尺度因子／温度変化ヒステレシスが生じ
る。

２層の圧電層を結合させることを目的とした先
行技術には米国特許第3448503号明細書（トロツ
トら）が含まれる。トロツトらの場合、２層の圧
電層が銀電極面を高温の液体（５％銀−水銀）ア
マルガムに溶解し、これらの層を0.70Kg／cm²
（10PSI）で90℃に保たれた炉内において72時間
互いにプレスすることにより接着される。トロツ
トらの方法は銀電極中への水銀の固相拡散および
移行に基づく。２層の圧電層を接着するための他
の方法は、ノレンにより米国特許第3481014号お
よび第3573511号各明細書に示されている。両明
細書中にノレンはきわめて複雑な圧電対接着形成
について記載している。ノレンの圧電対接着は、
ワツフル形金箔が銅界面に接着した柔軟な金フイ
ルムを形成する場合に形成される。ノレン法は
650℃、30分間、および面当たり付与される5.62
Kg／cm²（80PSI）を必要とする。接着形成に際し
て真空条件は存在しないので、ノレンの接着は弱
く、金箔により形成された接合部には閉じ込めら
れたガスが存在する可能性がある。

本発明はバイアス応力による影響を受けず、か
つ製造が簡単である圧電対素子の製造方法を提供
することにより、上記の問題を効果的に除く。本
発明の圧電対素子には、まず金属材料たとえば金
−ゲルマニウム（Au−Ge）を、接着すべき圧電
層の対向面上にスパツターする。これらの層を
Au−Ge材料が融解するのに十分な程度に加熱す
ると、圧電層が接着して圧電対が形成される。冷
却に際し圧電対はポーリングされる。完成した圧
電対の中心導電部への電気接点の形成を容易にす
るために、スパツター操作の前にセラミツク層の
エツジを面取りする。これにより中心金属層にＶ
形電極接点をもつ圧電対が得られる。

従つて本発明の目的は、温度の変化によつて起
こるいかなるバイアス応力に対しても抵抗性の検
出用圧電素子の製造方法を提供することである。

さらに本発明の目的は、マルチセンサーにおい
て応力の変化を検知するための圧電対素子の簡単
な製法を提供することである。

上記の本発明の目的および利点は添付の図面と
関連づけた本発明の実施態様についての下記の記
述を参照することにより最も良く理解されるであ
ろう。

第１図は先行技術による圧電対である。

第２図はAu−Ge合金の温度範囲を示すグラフ
である。

第３ａ図はマツチングされた圧電層上への金属
フイルムのスパツターを示す。

第３ｂ図は第３ａ図に示した圧電層のマツチン
グを示す。これを用いて、第４ａ図により詳しく
示される一形態が得られる。

第４ａ図は本発明の圧電対の一形態を示す。

第４ｂ図は第４ａ図に示した圧電対の透視図で
ある。

第５図は本発明の第２の形態の断面図を示す。

第６図は第４ａ，４ｂおよび第５図に示された
形態の作成方法を描いたフロー図である。

第１図を参照すると、厚さ約0.610mm（．024イ
ンチ）の２層の圧電材料層２および４を備えた一
般的な圧電対型センサーが示されている。各層１
および２の外表を、対応する電極６および８が覆
つている。これらの電極（たとえば銀、ニツケル
または金で作成することができる）は圧電対型セ
ンサー１０の長さ全体または一部を覆う。圧電層
２および４はその中心箔にエポキシ樹脂層１４ａ
および１４ｂによつて接着されている。中心箔１
２は厚さ約．003mmであり、多数の材料から作成
することができる（数例を挙げると黄銅またはタ
ンタル）。周知のように中心箔１２ならびに圧電
層２および４を構成する材料は異なる膨脹係数を
もち、従つて必ずしも同一割合では膨脹しない。
従つて温度変化があると、中心箔１２と圧電層２
および４との間の軸方向応力がそれぞれエポキシ
セメント層１４ａおよび１４ｂにおける剪断とし
て現われる。軸方向応力が存在すると、発信器と
しての圧電対型センサーの感度が変化する。さら
にエポキシ樹脂層は時間と共に流れるので、そこ
に残留する応力を緩和するために圧電対センサー
内に“クリープ”が生じる。従つてこの種の一般
的な圧電対センサーにより構成された計器を変動
する温度範囲にわたつて使用すると、その感温曲
線にヒステリシスの動きが得られる。言い換える
と、温度を変動させた場合、一度温度について別
個の感度を得る代わりに一般的な圧電対型センサ
ー計器は一定の温度について経時的に変化する測
定値を与える。

この“クリープ”現象を克服するために、流れ
ない材料を用いて２層を接着する方法を採用しな
ければならない。この種の材料は下記の基準を備
えていなければならない。

●これは導電性でなければならない。

●これは圧電材料に付着しなければならない。

●これは応力下でクリープを生じない。

●これは十分な引張り強さをもたなければならな
い。

●これは各圧電層に施すことができ、次いで追加
の試薬を用いずにそれ自体で接着することがで
きる。

さらに２層の圧電層をこの材料で接着する方法
は、接着温度はこれにより形成される圧電対型セ
ンサーの操作およびポーリングの温度よりも高
く、圧電層の形成のためのフアイヤリング温度よ
りも低くなければならない。12重量％ゲルマニウ
ムを含むAu−Ge合金〔Au−12w／oGe〕を２層
の圧電層の接着に用いて圧電対型センサーを作成
することができる。

第２図を参照すると、このAu−Ge合金は共融
温度356℃をもつことが認められる。この共融温
度は、圧電層の特性が変化する温度に近接しない
ほど十分に低く、かつこの種の合金により接着さ
れる圧電素子から作成されるセンサーの操作温度
よりも十分に高く、また圧電素子のポーリング温
度よりも十分に高い。

第３ａ図を参照すると、圧電層１８が示されて
いる。〔Au−Ge〕フイルム２２が同一化学量論
的量の前記Au−Ge合金ターゲツトによりスパツ
ターされる。内面１８Ｉに電気接点を接続しやす
くするために、そのエツジが２０の位置において
面取りされている。内面１８Ｉ上にAu−Ge合金
を沈澱させるためにスパツター法を採用する理由
は、析出の深さおよび合金の化学量論的割合を正
確に制御しうるからである。もちろんAu−Geフ
イルム２２の厚さは説明のために描かれているに
すぎず、実際には25000オングストローム以下の
厚さをもつであろう。

圧電層１８にAu−Geフイルム２２をスパツタ
ーしたのち、これを対応する圧電層１８ａと組合
わせる。これもその内面１８IaにAu−Ge合金の
フイルム２２ａがスパツターされている。第３ｂ
図では、素子１８ａが素子１８に近接して置かれ
ている。そして、接着を生じさせるため、〔AU
−12w／oGe〕の共融温度以上に温度が上がつた
時、真空条件下を保つたまま短時間の間に圧力が
加えられる、融着部分は内方へ面取りされたエツ
ジを提供するが、それは導電性をもち、導電層と
一体となり、新たに圧電対の中央電極を形成す
る。面取りされたノツチはワイヤーリード線の接
続に有用である（第４ａ図参照）。もちろんフイ
ルム２２の外表２２Ｉも２４の位置で面取りされ
ている。この形態については、第２ウエーハのフ
イルム２２ａを対応する面２２Ｉの上部に、面取
りされたエツジ２４および２０が整合した状態で
乗せる。層１８および１８ａならびにフイルム２
２および２２ａの組合わせ（以下圧電対２６と表
示する）を次いで高められた温度に加熱し、これ
によりそれぞれのAu−Geフイルムが対応する外
表２２Ｉおよび２２Iaにおいて融解し、これによ
つて圧電層１８が対応する圧電層１８ａに密に接
着する（第３ｂ図参照）。

この形態には〔Au−12w／oGe〕が用いられ
ているので、２枚のAu−Ge合金フイルムを融解
するのに必要な温度はこれの共融温度である。前
記の基準をすべて備えた異なる組成物または化学
的に異なる合金を用いると、共融温度、すなわち
２層の圧電層を接着するために合金フイルムを融
解するのに必要な温度はもちろん異なるであろ
う。

圧電対２６をAu−Ge合金の共融温度に一定期
間加熱したのち、これは“クリープなし”とな
る。フイルム２２および２２ａは互いに接着して
一体圧電対を形成するからである。従つていかな
る量の応力がこれに与えられたかに関係なく、フ
イルム２２，２２ａならびに圧電層１８および１
８ａの間に“クリープ”は生じないであろう。ま
た合金フイルム２２，２２ａの厚さがきわめて薄
いため層１８および１８ａならびにフイルム２
２，２２ａが受ける応力はきわめて薄い。

本発明にはさらに金属導電層３０および３２を
対応する層１８および１８ａのそれぞれの外表１
８０および１８０ａ上に析出させることをも含
む。第３ｂ図に関連させて前述したように、層１
８と１８ａの接着を促進するために0.35Kg／cm²
（5PSI）程度のわずかな圧力をかけてもよい。第
４ａ図に示されるように、整合した面取りエツジ
２４と２４ａから“Ｖ”型ノツチ３４が形成され
る。ノツチ３４が必要なのは、現実的な状況にお
いて合金フイルム２８の厚さがきわめて薄いた
め、圧電対２６上のいずれかに合金フイルム２８
へ電極が接続するための場所を設けなければなら
ないという事実による点を留意されたい。図示さ
れるように電極３６がはんだ３８によつて合金フ
イルム２８に接続される。圧電対２６に与えられ
た応力に対応する信号が得られるのは電極３６を
介してである。圧電対素子のポーリングおよび検
出について以下に述べる。

大部分の圧電材料の場合、それから構成される
センサーは活性化のためにポーリングされる必要
がある。この種のポーリングは一般に材料をポー
リングが可能なほど十分に高く、かつ操作中の脱
ポーリングを避けるためにデバイスの操作温度よ
りも十分に高い温度に加熱することによつて行わ
れる。温度が高められている間に電極間に高い電
圧をかけて、圧電材料の双極子モーメントを第４
ａ図の矢印４０および４２に平行に整列させる。
第４ａ図に示したポーリング極性において、圧電
対２６の軸４４の回りに曲げモーメントを与える
と、一方の層（たとえば１８）は引張られ、他方
の層（たとえば１８ａ）は圧縮されるであろう。
この形状の圧電対においては、センサーは軸４４
の回りのビームに与えられる曲げモーメントを測
定する。これらの曲げモーメントは一方の層に引
張りを、他方の層に圧縮を与える。デバイスがこ
れらの層に電気的に直列に接続しているかまたは
並列に接続しているかに応じて、これらの層は互
いに逆平行または並行に整列した分極ベクター４
０および４２をもつ状態でポーリングされる。逆
平行の方向に各層を分極させるためには、中心電
極間および外側電極（並列に接続）間に電圧をか
ける必要がある。各層を平行方向に分極させるた
めには、外側電極間にのみ電圧をかければよい。
逆平行に分極した圧電対の出力を検出するために
は、外側電極間の信号を測定する必要がある。平
行に分極した圧電対の出力を検出するためには、
中心電極間および外側電極間の信号を測定する必
要がある。いずれの分極の場合も、中心電極への
電気的接続が容易に達成される必要がある。この
電気的接続は、これら２枚のウエーハの面取りし
た表面を合わせて第４ｂ図の圧電対となした際に
生じる“Ｖ”型ノツチによつて可能となる。中心
電極は“Ｖ”の表面に沿つて連続しているからで
ある。

圧電対２６は事実上単一式センサーであるの
で、これは“クリープ”に対して実質的に抵抗性
であり、このため検出器が合金フイルム２８から
得る測定値ははるかに正確であり、ひずみがな
い。

第４ｂ図は第４ａ図に示した圧電対センサーの
透視図を示す。

本発明の他の形態においては、圧電層は他方の
圧電層以外の材料に接着されていてもよい。ある
種の用途においては、圧電材料を非圧電材料層、
たとえば金属またはガラスに接着することが望ま
しい。この種の積層を反復し、必要な層数を得る
ことができる。

たとえば第５図に示すように、非圧電材料層５
１を圧電材料層５５に接着する。圧電材料層５５
を非圧電層５１に接着するためには、非圧電層が
金／ゲルマニウム層５４と適合性（接着という意
味で）であることが必要である。金／ゲルマニウ
ム層５４が非圧電層５１と親和性でない場合は、
適切な界面層、たとえば５２を非圧電層５１上に
付着させる必要がある。次いで金／ゲルマニウム
層５３を界面層５２上にスパツターし、先に圧電
対の形成について述べたと同様な様式で圧電材料
層５５を非圧電材料層５１に結合させる。

圧電層５５に加えられた応力に対応した信号が
得られるのは、電極５７および５８を経由しての
ことである。

第６図は、本発明の他の異なつた形態を形成す
るためのステツプを示す。ブロツク６００からス
タートすると、以下のそれぞれの形態に先立ち、
各層が面取りされることが示されている。面取り
後、ブロツク６０１では、各層が両方とも圧電層
か、あるいは圧電層と非圧電層であるかの判定が
される。両方の層が実際上、圧電層の場合、ルー
トＡに進み、ブロツク６０２で、金−ゲルマニウ
ムフイルムがスパツタリングによつて各層の対向
表面上に付着される。次に、ブロツク６０３に示
されるように、各層は、層とフイルムのアセンブ
リを形成させるために配置される。アセンブリは
その後、ブロツク６０４で、高められた温度に加
熱される。

一方、ブロツク６０１で、各層が圧電層と非圧
電層とからなることがわかつた場合は、ルートＢ
に進み、ブロツク６０５で、これらの層が金−ゲ
ルマニウムと適合性があるかどうかが調べられる
適合性がある場合は、ブロツク６０６で、金−ゲ
ルマニウムフイルムがスパツタリングによつて各
層の対向表面上に付着される。次に、これらの層
はブロツク６０７で、層とフイルムのアセンブリ
を形成するために配置され、その後、そのアセン
ブリは、ブロツク６０８で、高められた温度に加
熱される。

しかしながら、（各）層と金−ゲルマニウムと
の間に接着適合性がない場合は、合成表面を形成
するために、ブロツク６０９で、適合性のない層
の表面上に、接着適合性フイルムが付着させられ
なければならない。続いて、いずれか一層だけが
金−ゲルマニウムと適合性がない場合は、ブロツ
ク６１０で示されるように、合成表面上と適合性
のある層の表面上に、それぞれ、金−ゲルマニウ
ムが付着される。もし両方の層が金−ゲルマニウ
ムと適合性がない場合は、ブロツク６１１で、各
合成表面上に金−ゲルマニウムフイルムが付着さ
れる。その後、前述した形態のように、それぞれ
ブロツク６１２と６１３で、各層は層とフイルム
のアセンブリを形成するために配置され、そし
て、そのアセンブリは高められた温度で加熱され
る。

ここには本発明の好ましい形態を説明のために
示したが、当業者には多数の変形、修正、変更、
置換したものおよび均等物が明らかになるであろ
う。従つて本発明は特許請求の範囲に示された精
神および範囲によつてのみ限定されるものとす
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による圧電対である。第２図
はAu−Ge合金の温度範囲を示すグラフである。
第３ａ図はマツチングされた圧電層上への金属フ
イルムのスパツターを示す。第３ｂ図は第３ａ図
に示した圧電層のマツチングを示す。第４ａ図は
本発明の圧電対の一形態を示す。第４ｂ図は第４
ａ図に示した圧電対の透視図である。第５図は本
発明の第２の形態の断面図を示す。第６図は第４
ａ，４ｂおよび５図に示した形態の作成方法を描
いたフロー図である。これらの図面において各記
号は下記のものを表わす。 ２，４：圧電層、６，８：電極、１０：圧電対
センサー、１２：中心箔、１４：エポキシ樹脂
層、１８：圧電層、２０，２４：エツジ、２２：
金属フイルム、２６：圧電対、２８：金属フイル
ム層、３０，３２：導電層、３６：電極、３８：
はんだ、４０，４２：分極ベクター、４４：中立
軸、５１：非圧電層、５２：界面層、５３，５
４：金−ゲルマニウムフイルム、５５：圧電層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１および第２圧電層それぞれの対向する面
   に第１エツジを面取りし； 各圧電層のそれぞれの対向面上に金−ゲルマニ
   ウムフイルムを付着させ、当該金−ゲルマニウム
   フイルムを各圧電層に対して界面として作用さ
   せ； これらの圧電層を互いに平行に、対向する各面
   を金−ゲルマニウムフイルム界面で接触させて、
   かつ、圧電層とフイルムのアセンブリを形成する
   ために面取りされた各エツジを整合させて配置
   し； 第１および第２圧電層の各金−ゲルマニウムフ
   イルムを密に金属学的に接着して圧電対検出素子
   を形成するために前記アセンブリを高めらけれた
   温度に加熱し、これにより面取りされた各エツジ
   から面取りされたノツチが形成され、この圧電対
   型検出素子がクリープに対し実質的に抵抗性であ
   る、 ことよりなる、圧電対型検出素子の製造方法。 ２ 付着工程が金−ゲルマニウムフイルムを各圧
   電層の対向する各面上にスパツターすることより
   なる、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 加熱工程が前記アセンブリを界面金−ゲルマ
   ニウムフイルムの融解温度に加熱することよりな
   る、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ４ さらに、 圧電対型検出素子の電気接点を形成するために
   各圧電層の対向しない各面上にそれぞれ金属フイ
   ルムを付着させる ことを含む、特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ５ さらに、 圧電層の接着促進のために、加熱工程中、前記
   アセンブリに圧力を加える工程を含むことにより
   なる、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ６ 圧電層および非圧電層それぞれの対向する各
   面の第１エツジを面取りし； 圧電層と金−ゲルマニウムとの間、および非圧
   電層と金−ゲルマニウムとの間の接着適合性を判
   定し； 圧電層と非圧電層が金−ゲルマニウムと適合性
   がある場合には、圧電層と非圧電層の対向面上に
   それぞれ金−ゲルマニウムフイルムを付着させ、
   当該金−ゲルマニウムフイルムを界面として作用
   させ； 圧電層と非圧電層を平行に、それらの上記対向
   面を前記金−ゲルマニウム界面において接触さ
   せ、これら各層とフイルムのアセンブリを形成す
   るために、面取りされた各エツジを整合させて配
   置し； 圧電層と非圧電層を密に金属学的に接着するた
   めに当該アセンブリを高められた温度に加熱し、
   これによりクリープに対し実質的に抵抗性の検出
   素子を形成する、 ことよりなる、 曲げモーメントを検出するための素子の製造方
   法。 ７ 付着工程が金−ゲルマニウムフイルムをスパ
   ツターすることよりなる、特許請求の範囲第６項
   に記載の方法。 ８ 加熱工程が前記アセンブリを金−ゲルマニウ
   ムフイルムの融解温度に加熱することよりなる、
   特許請求の範囲第６項に記載の方法。 ９ さらに、 前記各層の接着促進のために、加熱工程中、前
   記アセンブリに圧力を加える工程を含むことによ
   りなる、特許請求の範囲第６項に記載の方法。 １０ 圧電層および非圧電層それぞれの対向する
   各面の第１エツジを面取りし； 圧電層と金−ゲルマニウムとの間、および非圧
   電層と金−ゲルマニウムとの間の接着適合性を判
   定し； 圧電層と非圧電層の一方、若しくは両方が金−
   ゲルマニウムとの適合性がない場合は、合成表面
   を形成するために、適合性のない層の表面上に、
   接着適合性のあるフイルムを付着させるが、ここ
   で、 圧電層と非圧電層のうちのいずれか一方だけが
   金−ゲルマニウムと適合性がない場合は、いずれ
   の層が接着適合性のあるフイルムに付着されよう
   とも前記合成表面上に金−ゲルマニウムの第１の
   フイルムを付着させ、そして、金−ゲルマニウム
   適合性を有する層の表面上に金−ゲルマニウムの
   第２のフイルムを付着させ； 圧電層と非圧電層の両方とも金−ゲルマニウム
   と適合性がない場合は、圧電層の前記合成表面上
   に金−ゲルマニウムの第１のフイルムを付着さ
   せ、そして、非圧電層の前記合成表面上に金−ゲ
   ルマニウムの第２のフイルムを付着させ； 次に各層とフイルムとから成るアセンブリを形
   成するために圧電層と非圧電層を平行に、前記金
   −ゲルマニウムの第１のフイルムと第２のフイル
   ムを接触させ、かつ面取りされた各エツジを整合
   させて配置し； 金−ゲルマニウムの第１のフイルムと第２のフ
   イルムを金属学的に接着させ、それによつて各層
   を金属学的に密に接着させるために前記アセンブ
   リを高められた温度に加熱して実質的にクリープ
   なしの検出素子を形成する、 ことよりなる、曲げモーメントを検出するための
   素子の製造方法。 １１ 加熱工程が前記アセンブリを金−ゲルマニ
   ウムフイルムの融解温度に加熱することよりな
   る、特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 １２ さらに、 前記各層の接着促進のために、加熱工程中、前
   記アセンブリに圧力を加える工程を含むことより
   なる、特許請求の範囲第１０項に記載の方法。