专利名称：压电/电致伸缩膜型传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及为了防止介质击穿和静电破坏的压电/电致伸缩膜型传感器。
背景技术：
压电/电致伸缩膜型传感器是利用设在其上的膜状压电/电致伸缩体夹在一 对电极之间而形成的压电/电致伸缩元件的机械-电转换作用来测定流体的粘 度、密度、浓度等特性。例如，在流体中振动压电/电致伸缩膜型传感器(压 电/电致伸缩元件)时，因流体的粘性阻力而受到^4成阻力，压电/电致伸缩元 件的电常数与该机械阻力成一定关系地变化，所以可以检测该电常数来测定流 体的粘度等。
另外，还没有发现与以下所示的本发明课题相同或存在共同之处的现有技 术文献，作为供参考的压电/电致伸缩膜型传感器的现有文献，可以列举专利
文献1-6。
专利文献l:特开平8-201265号公报 专利文献2:特开平5-267742号公报 专利文献3:特开平6-260694号公报 专利文献4:特开2005-164495号公报 专利文献5:特开平2-51023号公报 专利文献6:特开平-8-98884号公报
发明内容
近年，如上所述的压电/电致伸缩膜型传感器(也筒称为传感器)，与半导 体集成电路芯片(IC、 LSI)等同样，存在以下问题。
首先，膜状的压电/电致伸缩体(绝缘体)产生介质击穿，存在压电/电致 伸缩膜型传感器不能工作的问题。就硅制的芯片而言，已知的问题有为了推 进高速化而实现薄膜化以及施加高电压(电场)，正因如此，氧化膜(绝缘体) 容易介质击穿。与此相同，就压电/电致伸缩膜型传感器而言，例如在纵效果振动子中，使压电/电致伸缩体薄膜化，提高施加电压时，振幅增大，有效地 提高传感器的灵敏度，因此有时就使压电/电致伸缩体薄膜化并提高施加电压， 但这样做时，压电/电致伸缩体容易被介质击穿，其结果，会导致压电/电致伸 缩膜型传感器的可靠性降低，因此，形成了为解决防止介质击穿的课题。
另外，与上述介质击穿相关，由静电产生的破坏(静电破坏)成为问题。 所有的物质在原子中带有电子，由这样的物质构成的物与物或者人与物，在4妄 触(包括摩擦、冲撞等)或者剥离之时，电子移动，成为电不稳定的状态，从 而产生静电。就该静电的产生而言，伴随着电子的移动，接受电子的一方为"-" 极，放出电子的一方为"+"极。在压电/电致伸缩膜型传感器的情形中，作为 绝缘体的压电/电致伸缩体，在其表面上，从其他的物、人或者空气中接受电 子，成为"-"极带电的状态。而且，当从该状态向其他的物、人或者空气中
放出电子(放电)时，该放电时涉及数kV的电压，压电/电致伸缩体被破坏(静 电破坏)。另外，在带电为"-，，极的状带中，在压电/电致伸缩体的表面吸引 附着靠近+极的尘埃、尘土等时，由于这些而使夹着压电/电致伸缩体的一对 电极之间短路，不能对压电/电致伸缩体施加希望的电压，作为传感器的振动 不稳定，或者，因尘土等的质量而使传感器的共振频率产生偏差从而产生4普误 检测等，可能不能正确地测定流体的特性或者流体的有无。
本发明是鉴于以上的情况而创造的，其目的在于提供一种不吸引尘埃、尘 土等的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，耐受电压以上的高电压难以作用于 压电/电致伸缩体，因此，可防止介质击穿，并且，难以带上静电，因此，可 防止静电破坏。经反复研究后发现，通过在压电/电致伸缩体的表面附近适当 地存在硫化物以及端子电极的主成分的压电/电致伸缩膜型传感器，可以实现 上述目的。
即，根据本发明提供一种压电/电致伸缩膜型传感器，其具备陶覺基体、
极，所述陶瓷基体具有薄隔膜部和与该薄隔膜部的周缘设置成一体的厚部，通 过这些薄隔膜部与厚部形成与外部连通的空腔，所述压电/电致伸缩体配设在 该陶乾基体的薄隔膜部的外表面上，具有膜状的压电/电致伸缩体以及夹持该 压电/电致伸缩体的下部电极和上部电极的层叠结构，通过与该压电/电致伸缩体的驱动联动，陶资基体的薄隔膜部发生振动，其中，压电/电致伸缩体含有 碱金属或者碱土金属，同时，在该压电/电致伸缩体的表面附近含有硫化物以 及端子电极的主成分。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，可以设置辅助电极，从而对 配设在陶乾基体上(上部电极用的)的端子电极和形成在压电/电致伸缩体上 的上部电极进行连接。设置辅助电极时，可以用与上部电极相同的材料来形成。 另夕卜，可以作为上部电极的一部分来构成辅助电极。下部电极被配设在陶瓷基
下部电极和(下部电极用的)端子电极之间，不需要辅助电极。另夕卜，在本说 明书中，所说的压电/电致伸缩体的表面附近，不仅是指表面的附近，而是意 味着表面及其附近，是指表面的附近部分，该部分包括表面。
就本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器而言，压电/电致伸缩体的表面 附近所含有的硫化物，优选为压电/电致伸缩体所含有的碱金属或碱土金属和 硫通过加热处理而(在压电/电致伸缩体的表面附近)结合的硫化物。
换言之，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器可通过如下方法来得到 在其制造之时进行加热处理(例如，烧成处理)，使压电/电致伸缩体所含有的 碱金属或碱土金属与空气中的硫进行反应，在压电/电致伸缩体的表面附近生 成硫化物。在空气中，只要不是特别的洁净室，就一定存在硫，但其量很少。 因而，压电/电致伸缩体的表面附近所含有的硫化物是极;微小的量。
另外，可以预先使电极材料中含有硫，以该硫来形成硫化物。这是用于得 到本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的优选手段。这是因为通过调节电 极材料所含有的疏的量，可使压电/电致伸缩体的表面附近所含有的硫化物的 量极少。
就本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器而言，压电/电致伸缩体的表面 附近所含有的端子电极的主成分，优选通过形成该端子电^1后的加热处理，使 得从其端子电极扩散至压电/电致伸缩体的表面附近。
换言之，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器可通过如下方法得到 在形成端子电极后进行加热处理(例如，烧成处理)，使构成端子电极的导电 材料的主成分扩散(热扩散)至压电/电致伸缩体的表面附近。因而，压电/电致伸缩体的表面附近所含有的端子电极的主成分是极少的量。
在本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，端子电极优选由银或以其 为主成分的导电材料来构成。
在本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，上部电极优选由金或以其 为主成分的导电材料来构成。
在本发明涉及的压电/电敢伸缩膜型传感器中，下部电极优选由铂或以其 为主成分的导电材料来构成。另外，在本说明书中，单指电极时，是指端子电 极、上部电极、下部电极以及(存在时)辅助电极这些所有的电极。
在本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，压电/电致伸缩体优选由
(Bia5Nao.5)Ti03或者以其为主成分的压电/电致伸缩材料构成。即，作为压电/ 电致伸缩体所含有的碱金属或碱土金属的合适的例子，可以举出钠。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，具备配设在薄隔膜部上的压电/ 电致伸缩元件，由于与压电/电致伸缩元件的驱动相联动而薄隔膜部振动，因 此可以用作以往已知的传感器来测定粘度、密度、浓度等流体的特性(参照专 利文献1~4)。在流体中使压电/电致伸缩膜型传感器(压电/电致伸缩元件)振 动时，因流体的粘性阻力而受到机械阻力，压电/电致伸缩元件的电常数与该 机械阻力以一定的关系变化，因此检测其电常数，可以测定流体的粘度。
并且，除此之外，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在压电/电致 伸缩体的表面附近含有硫化物，耐受电压以上的高电压难以作用于压电/电致 伸缩体上，因此，可以防止介质击穿，其可靠性高。辟"匕物在一定湿度下，发 挥导电性，因此压电/电致伸缩体的表面附近中含有硫化物的部分，使夹持绝 缘体即压电/电致伸缩体的上部电极和下部电极之间的绝缘电阻降低。因而， 在施加电压高的使用状况下，即使因不知名的原因而有高电压作用，也可通过 其绝缘电阻低的部分导通(极少的短路电流流过)，使得不至于在电极之间放 电。因此，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，作用于压电/电致伸缩 体的电压难以为其耐受电压以上的高电压。另外，通过使膜状的压电/电致伸 缩体的表面中的介质击穿比膜状的压电/电致伸缩体的厚度方向的介质击穿先 发生，从而可以防止膜状的压电/电致伸缩体的厚度方向的致命的破坏。因而， 可以防止上述介质击穿。本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在周围的湿度增高时，通过在 压电/电致伸缩体的表面漏泄电流，可以防止水分浸透至压电/电致伸缩体的内 部而形成破坏，因此，即使湿度因季节而变动，也难以被破坏。
此前所知的压电/电致伸缩膜型传感器中，不存在在压电/电致伸缩体的表 面附近含有^5克化物的传感器。而且，以往也并不知道在压电/电致伸缩膜型传 感器中，使压电/电致伸缩体的表面附近含有硫化物的技术。因此，就至今的 压电/电致伸缩膜型传感器而言，与硅制的芯片等同样，会产生介质击穿的问 题，但是根据本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，可以避免这样的问题。
根据本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，可以防止膜状的压电/电致 伸缩体的介质击穿，因此与以往的压电/电致伸缩膜型传感器相比，可以使压 电/电致伸缩体更薄，进一步提高施加电压。因此，与以往的压电/电致伸缩膜 型传感器相比，可以以更大的振幅进行振动，可以提高传感器的灵敏度。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在其优选的方式中，压电/电致 伸缩体表面附近所含有的硫化物，是压电/电致伸缩体所含有的碱金属或者碱 土金属与空气中的硫或者电极材料所含有的硫通过加热处理而(在压电/电致 伸缩体的表面附近)结合而成的，因此，压电/电致伸缩体的表面附近所含有 的硫化物是极少的量。因此，难以对压电/电致伸缩体作用耐受电压以上的高 电压，但由于在上部电极和下部电极之间流过的短路电流是极少的，因此可对 压电/电致伸缩体作用想要的电压。因而，可以使压电/电致伸缩元件驱动，与 其驱动相联动而使薄隔膜部振动，作为传感器来发挥优异的性能。
在本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器中，在其优选的方式中，电极 材料中含有金和铂的至少一种。因而，压电/电致伸缩体的表面附近所含有的
硫化物，是压电/电致伸缩体所含有的碱金属或碱土金属与空气中的疏或电极 材料所含的(烧成后也残留)硫结合而成的硫化物时，金和铂的至少一种就成 为催化剂，促进该结合反应。因而，此时，辟"匕物的量尽管极少，《旦是一定被 含于压电/电致伸缩体的表面附近。
此外，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在压电/电致伸缩体的表 面附近含有端子电极的主成分，难以带上静电，因此，可以防止介质击穿，在 这一点上就可提高可靠性。端子电极的主成分是导电材料，因此，在压电/电的压电/电致伸缩体，即使在其表面接受电子，该电子直接通过该低电阻部被 放出。因此，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，难以成为电子滞留而 带上静电的状态。因而，除了实现防止上述静电破坏之外，还不会在表面吸引 附着尘埃、尘土等，难以产生由它们所引起的如下问题，即，夹持压电/电致 伸缩体的上部电极和下部电极短路，不会对压电/电致伸缩体作用希望的电压， 导致作为传感器的精度降低。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，即使是^ 危化物没有局部地存在 于表面附近的状态，也可以防止上述致命的介质击穿。即，即使在高湿度下， 生成结露(包含压电/电致伸缩体的表面的微小的结露)，硫化物局部地聚集， 表面的电子也不会移动。因而，以稳定的状态得到压电/电致伸缩膜型传感器 的性能。
此前所知的压电/电致伸缩膜型传感器中，不存在在压电/电致伸缩体的表 面附近含有端子电极的主成分的传感器。另外，以往，在压电/电致伸缩膜型 传感器中，也不知道使压电/电致伸缩体的表面附近含有端子电极的主成分的 技术。因此，此前的压电/电致伸缩膜型传感器，与含有半导体集成电路芯片 的其他的电子部件一样，经常产生静电破坏的问题，但根据本发明涉及的压电 /电致伸缩膜型传感器，则可以避免这样的问题。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在其优选的方式中，压电/电致 伸缩体的表面附近所含有的端子电极的主成分，是通过形成起端子电极后的加 热处理，从该端子电极扩散至压电/电致伸缩体的表面附近，因此，压电/电致 伸缩体的表面附近所含有的端子电极的主成分是极少的量。因此，难以带上静 电，另一方面，仅仅是由于在压电/电致伸缩体的表面附近含有端子电极的主 成分，因此不至于4吏上部电极和下部电极短路，可以对压电/电致伸缩体施加 所希望的电压。因而，可以驱动压电/电致伸缩元件，与其驱动相联动而振动 薄隔膜部，作为传感器可发挥优异的性能。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在其优选的方式中，端子电极 是由作为低熔点材料的银或者以其为主成分的导电材料构成，辅助电极和上部 电极是由熔点高于银的金或者以其为主成分的导电材料构成，因此，通过伴随着上述加热处理的扩散，容易使压电/电致伸缩体的表面附近仅含有端子电极 的主成分即银。即，可以说该优选方式的本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传 感器容易制造。
本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，在其优选的方式中，压电/电致
伸缩体由残留极化大的(Bio.5Naa5)Ti03或以其为主成分的压电/电致伸缩材料
构成，因此可以实现高输出。
图1是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的平 面图。
图2是表示图1中的AA断面的断面图。 图3是表示图1中的BB断面的断面图。
图4是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是通过扫描电子显微镜得到的压电/电致伸缩体的表面的照片。
图5是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是表示通过X射线微量分析仪(EPMA， Electron Probe Micro Analyzer)得到 的压电/电致伸缩体的表面的照片，是表示作为端子电极的材料的银扩散至压 电/电致伸缩体的样子的图。
图6是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是表示通过扫描电子显微镜得到的压电/电致伸缩体的表面的照片。
图7是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是表示通过X射线微量分析仪(EPMA， Electron Probe Micro Analyzer)得到 的压电/电致伸缩体的表面的照片，是表示在压电/电致伸缩体存在钠的样子的 图。
图8是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是表示通过X射线微量分析仪(EPMA, Electron Probe Micro Analyzer)得到 的压电/电致伸缩体的表面的照片，是表示在压电/电致伸缩体存在硫的样子的 图。
图9是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图， 是表示通过X射线微量分析仪(EPMA， Electron Probe Micro Analyzer)得到的压电/电致伸缩体的表面的照片，是表示压电/电致伸缩体含有硫化物即钠和 硫的化合物的样子的图。
符号说明
1陶瓷基体
2厚部
3薄隔膜部
4下部电才及
5压电/电致伸缩体
6上部电极
7结合层
8辅助电极
9贯通孔
10空腔
12压电/电致伸缩元件 18端子电极 19端子电极
20压电/电致伸缩膜型传感器
具体实施例方式
以下，针对本发明，适当地参照附图来说明实施方式，但本发明并不受限 于这些实施方式的解释。在不损害本发明主旨的范围内，基于本领域技术人员 的知识，可以添加各种变更、修正、改良、取代。例如，附图表示合适的本发 明的实施方式,但本发明并不受限于附图所表示的方式和附图所表示的信息。 为了实施或验证本发明，可以采用与说明书中记述的手段同样或类似的手段， 但优选的手段如下所述。
首先，对本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的构成进行说明。图1 是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的平面图(俯 视图)。图2是表示图1中的AA断面的断面图，图3是表示图1中的BB断 面的断面图。
图1~图3所示的压电/电致伸缩膜型传感器20,具备陶瓷基体1和压电/电致伸缩元件12。陶乾基体1具有薄隔膜部3和在该薄隔膜部3的周缘上设 置成一体的厚部2，在该陶瓷基体1上通过这些薄隔膜部3和厚部2形成空腔 10，该空腔10通过贯通孔9与外部连通。压电/电致伸缩元件12配设在陶瓷 基体1的薄隔膜部3的外表面上，呈现由膜状压电/电致伸缩体5和将该压电/ 电致伸缩体5夹在中间的一对膜状电极(上部电极6和下部电极4)形成的层 叠结构。
在压电/电致伸缩膜型传感器20中，在压电/电致伸缩体5的下侧且形成在 陶瓷基体1的薄隔膜部3之上的下部电极4，与(下部电极用的)端子电极18 直接连接导通。形成在压电/电致伸缩体5的上侧的上部电极6，与(上部电极 用的)端子电极19通过辅助电极8导通连接。另外，辅助电极8本来是构成 上部电极6的一部分，但在本实施方式(压电/电致伸缩膜型传感器20)中， 为了便于理解功能，表示为辅助电极8。
(上部电极用的)端子电极19和下部电极4因隔着结合层7而绝缘。该 结合层7以进入压电/电致伸缩体5的下侧的方式来形成，是起到使压电/电致 伸缩体5与薄隔膜部3结合的作用的层。压电/电致伸缩体5以覆盖下部电极4 的大小来形成，以横跨该压电/电致伸缩体5的方式来形成上部电4及6。在上部 电极6和辅助电极8未覆盖的压电/电致伸缩体5的露出表面附近，含有硫化 物和后述的端子电极18、 19的主成分。另外，结合层7根据传感器的用途， 可适当地应用，可以使结合层7的部分为不完全结合状态。
在压电/电致伸缩膜型传感器20中，在驱动压电/电致伸缩元件12 (发生 位移)时，陶瓷基体1的薄隔膜部3与之联动，发生振动。为了不妨碍压电/ 电致伸缩体5的振动，陶瓷基体1的薄隔膜部3的厚度一般为50!im以下，优 选为30pm以下，更优选为15ium以下。薄隔膜部的平面形状可以采用长方形、 正方形、三角形、椭圆形、正圓形等任何形状，然而在需要简化激发的共振模 式的传感器应用中，根据需要选择长方形或正圆形。
接着，对本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的各构成要素的材料， 以上述压电/电致伸缩膜型传感器20为例进行说明。
在陶瓷基体1中使用的材料优选是具有耐热性、化学稳定性和绝缘性的材 料。这是由于在使下部电极4、压电/电致伸缩体5、上部电极6—体化时经常需要热处理，以及在压电/电致伸缩膜型传感器20感测液体特性的情况下该液
体具有导电性和腐蚀性。作为优选的可使用的材料，可以举出稳定化的氧化锆、 部分稳定化的氧化锆、氧化铝、氧化镁、莫来石、氮化铝、氮化硅和玻璃等。 在这些当中，稳定化的氧化锆和部分稳定化的氧化锆是最优选的，因为即使极
薄地形成薄隔膜部3时，也能保持高的机械强度和优异的韧性等。
作为压电/电致伸缩体5的材料，只要是含有碱金属或碱土金属并显示出 压电/电致伸缩效果的材料，就可以是任何材料。作为满足条件的合适的材料， 可以举出(Bi0.5Nao.5)Ti03或者以其为主成分的材料或者(l-x)(Bi0.5Na0.5) TiOrxKNb03(其中x以摩尔分数计，为0"幼.06 )或者以其为主成分的材料。 作为结合层7的材料，可以使用与压电/电致伸缩体5和陶瓷基体1双方 密合性、结合性高的有机材料或者无机材料。为了得到可靠性高的结合性，使 用的材料优选是这样的材料，即，其热膨胀系数具有陶瓷基体l的材料的热膨 胀系数和用于压电/电致伸缩体5的材料的热膨胀系数的中间值。热处理压电/ 电致伸缩体5的情形中，优选使用具有压电/电致伸缩体5的热处理温度以上 的软化点的玻璃材料。为了使压电/电致伸缩体5与陶瓷基体1牢固地结合， 由于软化点高，可以抑制由热处理所引起的变形。此外，压电/电致伸缩体5 由上述例举的2种合适材料构成时，作为结合层7的材料，优选采用以 (l-x)(Bi0.5Na0.5) TiOrxKNb03 (其中x以摩尔分数计，为0.08Sx^).5 )为主成 分的材料。这是因为与压电/电致伸缩体5和陶瓷基体1的双方的密合性高， 可以抑制热处理时对压电/电致伸缩体5和陶瓷基体1的不良影响。即，由于 具有与压电/电致伸缩体5相同的成分，因此，与压电/电致伸缩体5的密合性 高，而且，由使用玻璃时产生的异种元素的扩散所引起的问题也少，此外，由 于含有较多的KNb03，因此与陶瓷基体1的反应性高，可以牢固地结合。另 外，(l-x)(Bio.5Na0.5) TiOrxKNb03 (其中x以摩尔分数计，为0.08Sx幼.5 )几 乎不显示压电/电致伸缩特性，因此，对于使用时在下部电极4和辅助电极8 之间所产生的电场，不发生位移，所以可以得到稳定的传感特性。
对于各电极材料，端子电极采用银或以其为主成分的导电材料，辅助电极 和上部电极采用金或以其为主成分的导电材料，下部电极采用铂或以其为主成 分的导电材料。接着，对本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的制造方法，以制造上
述压电/电致伸缩膜型传感器20的情况为例进行说明。 工序1.陶瓷基体的制作
陶瓷基体1可通过生片层叠法来制造。具体地说，准备以上述陶瓷材料为 主成分的预定数目的陶瓷生片，使用例如具有沖头和模头的冲孔加工机，将所 需数目的所得陶瓷生片层叠后在其中穿开构成空腔10的预定形状的孔部，在 层叠另外必需的片数之后，穿开构成贯通孔9的预定形状的孔部。此后，依次 将构成薄隔膜部3的陶瓷生片、穿开形成空腔IO的孔部的陶瓷生片、穿开形 成贯通孔9的孔部的陶瓷生片层合，得到层叠坯体，将该坯体烧成，获得陶瓷 基体l。除了构成所述的薄隔膜部3之外， 一片陶瓷生片的厚度为100~300|im 左右。
陶瓷生片可以通过以往已知的陶瓷制造方法来制作。举一个例子，准备所 希望的陶瓷材料粉末，按照所需组成将它与粘合剂、溶剂、分散剂、增塑剂等 混合，制备浆料，在对其消泡处理后，通过刮涂法、逆转辊涂布法、逆转辊筒 刮刀涂布法等片成型法，可以获得陶瓷生片。
工序2.下部电极的形成
通过各种公知的成膜方法成膜后，经过对形成的膜进行干燥、烧成，在陶 瓷基体1的薄隔膜部3的外表面上形成膜状的下部电极4。具体来讲，作为成 膜方法，可以适当地选择离子束、溅射、真空蒸镀、CVD、离子镀、镀敷等 薄膜形成方法或者丝网印刷、喷涂、浸涂等厚膜形成方法。尤其，适宜选择溅 射法和丝网印刷法。干燥在50 150。C下进行。烧成在1100 130(TC下进行，烧 成时间是1 2小时左右。
工序3.结合层的形成
在结合层7的形成中，使用通常的厚膜方法，尤其适合选择压印法、丝网 印刷法。而且，应该形成的部分的大小为数十微米 数百微米左右的情形中， 优选使用喷墨法。结合层7需要热处理时，可在接下来的压电/电致伸缩体5 形成前进行热处理，也可在形成压电/电致伸缩体5之后同时进行热处理。
工序4.压电/电致伸缩体的形成
膜状的压电/电致伸缩体5与下部电极4同样，通过公知的各种成膜法来成膜，经过烧成而形成。作为成膜方法，从低成本的观点出发，优选使用丝网
印刷。膜厚优选为100(im以下，此外，为了增大位移量(即提高特性)，优选 为50ium以下，更优选的膜厚为5~20pm。由此形成的压电/电致伸缩体5在烧 成时，与先形成的下部电极4和结合层7—体化。烧成的温度为900~1400°C 左右，烧成时间为2 50小时左右。优选与压电/电致伸缩材料的蒸发源一起进 行氛围的控制，同时进行烧成，使得压电/电致伸缩体5在高温时不会不稳定。 工序5.端子电极的形成
下部电极4同样的成膜法进行成膜，经过干燥、烧成来形成。端子电极18在 烧成时，与下部电极4和压电/电致伸缩体5接合，形成一体结构。 工序6.上部电^l的形成
上部电极6，通过与下部电极4同样的成膜法来成膜，经过干燥、烧成来 形成。烧成在500-900。C下进行，烧成时间为1 2小时左右。
在上部电极的形成工序中，先形成的端子电极18、 19的主成分(《艮)因 热而发生扩散，含有在先形成的压电/电致伸缩体5的表面附近。图4和图5 是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式的图。图4是 表示由扫描电子显微镜得到的压电/电致伸缩体的表面的照片。图5是表示由 X射线微量分析仪(EPMA, Electron Probe Micro Analyzer)得到的压电/电致 伸缩体的表面的照片，表示端子电极材料即银扩散至压电/电致伸缩体的样子。 另外，在由EPMA得到的照片中，以蓝、绿、黄、朱红、红的顺序来表示对 象物质逐渐增多(存在)(蓝是最少，红是最多)。形成(包括烧成)端子电极 之后，通过形成(包括烧成)上部电极，如图5所示，可使压电/电致伸缩体5 的表面附近含有作为端子电极18、 19材料的银。银优选存在于厚度方向的极 表层，可通过'减射等使银存在于压电/电致伸缩体5的表面附近，从可更薄、 容易且均匀地扩散于极表层的角度考虑，以及从可在保持绝缘的状态下略微地 降低电阻的角度考虑，优选利用热来进行扩散。另外，在使压电/电致伸缩体5 的膜厚为5~20|im的实施例中，确认出银的扩散是2iim以下的状态，可得到 良好的特性。
另外，通过调节上述烧成温度，或者通过调节为形成端子电极18、 19而使用的材料所含有主成分(银)的含量，可以调节得到的压电/电致伸缩膜型
传感器20的压电/电致伸缩体5的表面附近所含有的端子电极18、 19的主成 分(银)的量。
工序7.辅助电极的形成
辅助电极8，通过与上部电极6同样的成膜法来成膜，经过干燥、烧成来 形成。辅助电极8在烧成时，与上部电极6、压电/电致伸缩体5以及端子电极 19接合，形成一体结构。
按以上方法操作得到压电/电致伸缩元件12，但也可单独地只制作出压电/ 电致伸缩元件12后，贴附于陶资基体1上，也可以直接形成于陶瓷基体1上。
另外，只要在端子电极18， 19的形成工序中进行烧成，在上部电极6的 形成工序中进行烧成，则下部电极4、结合层7、压电/电致伸缩体5以及端子 电极18、 19，除了象上述那样每次各自形成时进行烧成(热处理)之外，也 可以依次将各自成膜而一并同时地进行烧成(热处理)。另外，上部电极6和 辅助电极8除了每次各自形成时进行烧成(热处理)之外，也可以依次将各自 成膜而一并同时地进行烧成(热处理)。这些时候，为了实现良好的接合性， 而适当地选择温度，这是不言而喻的。
通过以上工序，具备陶资基体1和压电/电致伸缩元件12的压电/电致伸缩 膜型传感器20在结构上就完成了 。
工序8.极化
在压电/电致伸缩膜型传感器20的压电/电致伸缩元件12中的上部电才及和 下部电极之间，施加直流高电压(作为一个例子有DC300V的电压)，进行极 化处理。
工序9.位移测定
外加0 200V、 lkHz的交流正弦波电压，使用激光多普勒振动计，对实施 了极化处理的压电/电致伸缩膜型传感器20的压电/电致伸缩元件12进行位移 测定。
工序10.贴附UV片
压电/电致伸缩膜型传感器20，通常以一次包含多个的方式来制造。此时， UV片作为固定手段贴附在压电/电致伸缩膜型传感器20的与压电/电致伸缩元件12相反侧的面上，固定于规定的场所。 工序11.外形剪切
形成多个传感器时，直到此前的工序还未进行剪切，但在这里，〗吏用切块 机进行剪切，得到单独的压电/电致伸缩膜型传感器20。 工序12.分选
只选择合格品，在工序9中位移在基准值以下的产品被作为次品而排除在外。
工序13.力口热处理
外形剪切通常一边水洗一边来进行，因此，为排除水分而对合格品实施加 热处理使其干燥。温度条件是60 90。C。通过调节该工序中的温度，也可以来 调节在得到的压电/电致伸缩膜型传感器20的压电/电致伸缩体5的表面附近所 含有的端子电极18、 19的主成分(银)的量。
通过包含该最后的加热处理以及此前进行的烧成的多次的加热处理，压电 /电致伸缩体5所含有的碱金属或者碱土金属，与空气中的硫或者电极材料所 含有并在烧成后残留的硫进行反应，在压电/电致伸缩体的表面附近生成硫化 物，并被含有于此。压电/电致伸缩体5为(Bio.5Nao.5)Ti03时，在压电/电致伸缩 体5的表面附近含有钠和硫的化合物。这种情况与所述的含有端子电极的主成 分相结合，压电/电致伸缩膜型传感器20成为本发明涉及的压电/电致伸缩膜型 传感器。
图6~图9是表示本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的一个实施方式 的图。图6是表示由扫描电子显微镜得到的压电/电致伸缩体的表面的照片。 图7和图8是表示由X射线微量分析仪(EPMA, Electron Probe Micro Analyzer) 得到的压电/电致伸缩体的表面的照片，其中，图7表示压电/电致伸缩体中存 在钠的样子，图8表示压电/电致伸缩体中存在硫的样子。另外，如上所述， 在由EPMA得到的照片中，按照蓝、绿、黄、朱红、红的顺序来表示对象物 质逐渐增多(存在)(蓝是最少，红是最多)。另外，图9是表示由扫描电子显 微镜得到的压电/电致伸缩体的表面的照片，表示在压电/电致伸缩体中含有(存 在)硫化物即钠与硫的化合物的样子。在图9中，黑点所示的部分就是钠与硫 的化合物。作为压电/电致伸缩体，使用含有碱金属或碱土金属的物质，通过进行加热处理(包括烧成)，如图6~图9所示，可使压电/电致伸缩体5的表面 附近含有作为硫化物的钠与硫的化合物。
另外，通过调节烧成和最后的加热处理的温度，或者通过调节压电/电致 伸缩体材料所含有的碱金属或碱土金属的含量，可以调节在所得到的压电/电 致伸缩膜型传感器20的压电/电致伸缩体5的表面附近所含有的硫化物(钠和 硫的化合物)的量。钠(Na)和硫(S)的化合物的组成中，钠与硫的摩尔比 Na/S优选为0.5-2的范围。另外，钠和硫的化合物的大小以及形状，从表面的 投影形状优选为100 500nm的圆形或者椭圆形，此外，钠和硫的化合物，优 选存在于压电粒子的晶界或颗粒上，存在于颗粒上时，优选存在于斜面部而不 是脊部。根据这些优选的方式，在高湿的条件下不产生介质击穿等，可以满足 特性。
工序14.外观;险查
最后，进行外观检查，然后，出厂。
接着，对本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器的用途进行说明。本发 明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，可以用作构成流体特性检测装置的传感 器。流体特性测定装置可包括本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器、在上 部电极和下部电极之间施加电压以驱动该压电/电致伸缩膜型传感器的压电/电 致伸缩元件的电源、用于检测随着压电/电致伸缩膜型传感器的薄隔膜部的振 动而发生的电常数变化的电常数监视装置。
流体特性测定装置是可通过利用电常数监视装置检测电常数来测定流体 的特性的装置。在流体中，驱动压电/电致伸缩膜型传感器中的压电/电致伸缩 元件，使薄隔膜部振动时，因流体的粘性阻力而受到才几械阻力，与该机械阻力 成一定关系的压电/电致伸缩元件的电常数发生变化，因此通过检测该电常数 变化，可以测定流体的粘度。
该流体特性测定装置的流体特性测定的基本原理是利用振动子即压电/电 致伸缩元件和薄隔膜部的振幅和与该振动子接触的流体的特性之间的相关性。 流体特性为粘性阻力时，在该流体粘性阻力大时，振动子的振幅变小，如果粘 性阻力小，则振动子的振幅变大。而且，像振动子振动这种机械系统中的振动 形态可以用电系统的等效电路来置换，在该情况下，还可以认为振幅与电流对应。另外，虽然等效电路的振动状态显示了共振点附近的各种电常数的变化， 但在流体特性测定装置中，在这些损耗因数、位相、电阻、电抗、电导率、电 纳、感应系数和电容等电常数中，具有等效电路共振频率附近的变化极大或极 小的一个变化点的损耗因数或者位相优选用作指标。与其他电常数相比，损耗 因数或位相更容易进行检测。
不用说，即使在流体特性为粘性阻力以外的情况下(例如，流体的压力(无 需说流体的有无))，在要测定特性的流体中存在影响振动子振动的要素时，通 过将该特性与压电/电致伸缩元件和薄隔膜部的振动变化关联，即可以进行测 定。流体为溶液且改变该溶液的浓度，使得粘度或密度变化的话，由于溶液中 的压电/电致伸缩元件和薄隔膜部的振动形态改变，因此可以测定溶液浓度。 即，本发明涉及的流体特性测定装置可以进行溶液的粘度测定、密度测定和浓 度测定。
应用本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器可测定流体的特性的功能， 可以判断流体的流动状态、流体是否存在。例如，如果不存在作为测定对象的 流体，振动子(压电/电致伸缩元件和薄隔膜部)的振幅变化也显著，容易检 测变化。具体来讲，本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，包含监视医疗 用的点滴装置的点滴状态的功能，优选用作测量仪器的传感器，用于监视一切 液体的进料或输液的状态，即液体是否(按计划)流动(关于点滴的以往技术，
参照专利文献5和专利文献6 )。
在包括装有药液的瓶子、管、可目视药液滴下的滴液室、注射针的点滴装 置中，在瓶子、管、滴液室的任一方中(如有必要就在多处)安装本发明涉及 的压电/电致伸缩膜型传感器，将由其检测的流体的流动状态、流体是否存在 (电常数的变化)的信息进行输入，通过设置进行演算、显示、通信等的控制 监视装置，可以构建点滴管理装置。演算包括基于控制监视装置所具备的定时 器对点滴结束时刻的预测以及伴随着规定时间的经过而产生的异常检测等，显 示对象包括流量等数据和警报等，通信包括对护士 (nurse)台的输出等。通 过将该点滴管理装置用于医疗用的点滴装置，可使患者放心，减轻护士和看护 人的负担。
工业上的应用性本发明涉及的压电/电致伸缩膜型传感器，可以用作流体特性测定用传感 器。具体来讲，可以用作粘度、密度、浓度的各测定计量仪器的传感器，而且， 包含监视医疗用的点滴装置的点滴状态的功能，可以适合用作计量仪器的传感 器来监视一 切液体的进料或者输液的状态。
权利要求
1. 一种压电/电致伸缩膜型传感器，其具备陶瓷基体，所述陶瓷基体具有薄隔膜部和与该薄隔膜部的周缘设置成一体的厚部，通过这些薄隔膜部与厚部形成与外部连通的空腔，压电/电致伸缩元件，所述压电/电致伸缩元件配设在该陶瓷基体的所述薄隔膜部的外表面上，具有由膜状的压电/电致伸缩体以及夹持该压电/电致伸缩体的下部电极和上部电极构成的层叠结构，以及，用于将所述下部电极和上部电极连接于电源的各个端子电极；通过与所述压电/电致伸缩元件的驱动联动，所述陶瓷基体的薄隔膜部发生振动；其中，所述压电/电致伸缩体含有碱金属或者碱土金属，同时，在该压电/电致伸缩体的表面附近含有硫化物以及所述端子电极的主成分。
2. 根据权利要求1所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述压电/电致伸缩体的表面附近所含有的所述硫化物，是所述压电/电致伸缩体所含有的碱金属或碱土金属与硫通过加热处理来结合而成的。
3. 根据权利要求l或2所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述压电/电致伸缩体的表面附近所含有的所述端子电极的主成分，通过形成该端子电极后的加热处理，从其端子电极扩散至所述压电/电致伸缩体的表面附近。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述端子电极由银或以其为主成分的导电材料构成。
5. 根据权利要求4所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述上部电极由金或以其为主成分的导电材料构成。
6. 根据权利要求1~5中任一项所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述下部电极由铂或以其为主成分的导电材料构成。
7. 根据权利要求1~6中任一项所述的压电/电致伸缩膜型传感器，其中，所述压电/电致伸缩体由(Bio.5Nao.5)Ti03或以其为主成分的压电/电致伸缩材料构成。
全文摘要
本发明提供一种压电/电致伸缩膜型传感器20，其中，压电/电致伸缩体5含有碱金属或碱土金属，同时，该压电/电致伸缩体5的表面附近含有硫化物和端子电极18、19的主成分。该压电/电致伸缩膜型传感器20中，耐受电压以上的高电压难以作用于压电/电致伸缩体5，因此，可防止介质击穿，并且，难以带上静电，因而，可防止静电破坏，不吸引尘埃、尘土等。
文档编号G01N11/14GK101484791SQ20078002509
公开日2009年7月15日 申请日期2007年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者大西孝生, 小泉贵昭, 清水秀树 申请人:日本碍子株式会社