JP2011166632A - Electrostatic capacitive electro-mechanical transducer having sacrifice region - Google Patents

Electrostatic capacitive electro-mechanical transducer having sacrifice region Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive electro-mechanical transducer capable of preventing a cell or an element from being destroyed even when a high voltage is erroneously applied. <P>SOLUTION: An electrostatic capacitive electro-mechanical transducer has at least one cell including: a first electrode 2; and a second electrode 3 disposed while facing the first electrode 2 via a cavity 4. A sacrifice region 7 composed of an insulator is included and the sacrifice region 7 is configured to incur short-circuiting by applying a voltage lower than a short-circuiting voltage that incurs short-circuiting in a driving region 6 including the cell. The first electrode 2 and the second electrode 3 are configured while holding an insulated portion including the sacrifice region 7 therebetween, and electrically connected to each other. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超音波などの弾性波の受信及び送信のうちの少なくとも一方を行う静電容量型電気機械変換装置等に関する。 The present invention relates to a capacitance type electromechanical transducer that performs at least one of reception and transmission of elastic waves such as ultrasonic waves.

近年、マイクロマシンニング工程を用いて作製される静電容量型電気機械変換装置が盛んに研究されている。通常の静電容量型電気機械変換装置は、下部電極と、これと空隙を隔てて支持された振動膜と、振動膜の表面に配設された上部電極とを含むセルを有する。これは、例えば、容量型超音波変換素子(CMUT:Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer)などとして用いられる。CMUTは、軽量の振動膜を用いて超音波の送信や受信を行い、液中や空気中でも優れた広帯域特性を持つものが容易に得られる。このCMUTを利用すると、従来の医療診断より高精度な診断が可能となる為、有望な技術として注目されつつある。 In recent years, a capacitive electromechanical transducer manufactured using a micromachining process has been actively studied. A typical electrostatic capacitance type electromechanical transducer has a cell including a lower electrode, a vibrating membrane supported with a gap therebetween, and an upper electrode disposed on the surface of the vibrating membrane. This is used as, for example, a capacitive ultrasonic transducer (CMUT: Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer). The CMUT transmits and receives ultrasonic waves using a lightweight vibrating membrane, and can easily obtain a broadband characteristic having excellent broadband characteristics even in liquid or air. When this CMUT is used, it is possible to make a diagnosis with higher accuracy than the conventional medical diagnosis.

この容量型電気機械変換装置では、キャビティ(空隙)と絶縁膜を介在させた二枚の電極間にバイアス電圧が印加され、電極間距離が近接する様に電極が保持される。二枚の電極は、接した時にショートしない様に、片側の電極が絶縁膜と接している。電極間距離が近接する様にされたCMUTに振動信号を印加すると、例えば、基板に固定されていない片側の電極が振動して音響エネルギーを放射できる(送信)。また、音波が入射すると、基板に固定されていない片側の電極が振動することでCMUTの容量が変化し、その変化を電圧の変化として検出できる(受信)。電気機械変換性能を高める為には、二枚の電極間距離を小さくすることが望ましい。その為には、二枚の電極間に高電位差を発生させる必要がある。すなわち、印加する上記バイアス電圧の上昇に従い、高い性能を発揮することができる。 In this capacitive electromechanical transducer, a bias voltage is applied between two electrodes having a cavity and an insulating film interposed therebetween, and the electrodes are held so that the distance between the electrodes is close. The electrodes on one side are in contact with the insulating film so that the two electrodes do not short-circuit when in contact. When a vibration signal is applied to the CMUT in which the distance between the electrodes is close, for example, the electrode on one side not fixed to the substrate can vibrate to emit acoustic energy (transmission). Further, when a sound wave is incident, the capacitance of the CMUT changes due to vibration of one electrode not fixed to the substrate, and the change can be detected as a change in voltage (reception). In order to improve the electromechanical conversion performance, it is desirable to reduce the distance between the two electrodes. For this purpose, it is necessary to generate a high potential difference between the two electrodes. That is, high performance can be exhibited as the bias voltage applied increases.

こうした容量型電気機械変換装置は、数十μmから数百μmのサイズのセルが電極パターンで複数個接続され、1つのエレメント(画素)として用いられることが多い。これを開示する特許文献1には、印加するバイアス電圧の上昇により1つのエレメントが短絡することで、これと電極が共通の他のエレメントへの安定したバイアス電圧の印加が出来なくなり、電気機械変換性能が低下してしまうことが記載されている。その為の対策として、短絡したエレメントを排除したり、短絡したエレメントと電極を共通にしているエレメントを排除したりすることで、電気機械変換性能の低下を防ぐことも示されている。 Such a capacitive electromechanical conversion device is often used as one element (pixel) in which a plurality of cells having a size of several tens to several hundreds of μm are connected by an electrode pattern. In Patent Document 1 that discloses this, one element is short-circuited due to an increase in the bias voltage to be applied, so that it becomes impossible to apply a stable bias voltage to other elements that share the same electrode, and electromechanical conversion is performed. It is described that the performance deteriorates. As countermeasures for this, it has also been shown that electromechanical conversion performance is prevented from being lowered by eliminating shorted elements or eliminating elements that have shorted elements and electrodes in common.

特開2006-343315号公報JP 2006-343315 A

しかしながら、特許文献1に記載された構成であると、短絡する程の高電圧を誤って印加した場合、全てのエレメントが短絡する可能性がある。また、特許文献1の様に、エレメントが短絡してからエレメントを排除するのでは、エレメントの再使用ができなくなってしまう。つまり、エレメント自体に、短絡を未然に防ぐ機構が設けられていなかった。 However, with the configuration described in Patent Document 1, if a high voltage that causes a short circuit is applied by mistake, all elements may be short-circuited. Moreover, if the element is eliminated after the element is short-circuited as in Patent Document 1, the element cannot be reused. That is, the element itself was not provided with a mechanism for preventing a short circuit.

上記課題に鑑み、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、第1の電極と、空隙を介して前記第1の電極と対向して配置された第2の電極と、を含むセルを少なくとも1つ有する。そして、セルを含む駆動領域において短絡を起こす短絡電圧より低い電圧が印加されることで短絡を起こす様に構成された犠牲領域を備え、第一電極と第二電極は、犠牲領域を含む絶縁部を挟んだ構成で、それぞれ電気的に接続されている。 In view of the above problems, a capacitance type electromechanical transducer according to the present invention includes a cell including a first electrode and a second electrode disposed to face the first electrode with a gap interposed therebetween. Have at least one. And a sacrificial region configured to cause a short circuit when a voltage lower than a short circuit voltage causing a short circuit is applied in a drive region including the cell, and the first electrode and the second electrode include an insulating part including the sacrificial region Are electrically connected to each other.

本発明では、必要とするセルが短絡する前に前記犠牲領域が短絡する様に構成されているので、例えば、セルが短絡する程の高電圧が誤って印加された場合でも、セルないしエレメントの破壊を防ぐことが可能となる。 In the present invention, the sacrificial region is configured to be short-circuited before a required cell is short-circuited. For example, even when a high voltage that causes the cell to be short-circuited is mistakenly applied, It becomes possible to prevent destruction.

本発明の第一の実施形態を説明する図。The figure explaining 1st embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態を説明する図。The figure explaining 2nd embodiment of this invention. 本発明の第二の実施形態の変形例を説明する図。The figure explaining the modification of 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施形態を説明する図。The figure explaining 3rd embodiment of this invention. 本発明の第三の実施形態の変形例を説明する図。The figure explaining the modification of 3rd embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態を説明する図。The figure explaining 4th embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態の変形例を説明する図。The figure explaining the modification of 4th embodiment of this invention. 本発明の第四の実施形態の変形例を説明する図。The figure explaining the modification of 4th embodiment of this invention. 本発明の第五の実施形態を説明する図。The figure explaining 5th embodiment of this invention. 本発明の第六の実施形態を説明する図。The figure explaining 6th embodiment of this invention. 本発明の第七の実施形態を説明する図。The figure explaining 7th embodiment of this invention. 本発明の第八の実施形態を説明する図。The figure explaining 8th embodiment of this invention. 犠牲領域周辺の防壁の構造を説明する図。The figure explaining the structure of the barrier around a sacrificial area.

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の静電容量型電気機械変換装置は、前記犠牲領域を設け、エレメントないしセルが短絡する前に犠牲領域で短絡させてしまう点が特徴である。その為に、犠牲領域は、セルを含む駆動領域において短絡を起こす短絡電圧より低い電圧が印加されることで短絡を起こす様に構成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The capacitive electromechanical transducer according to the present invention is characterized in that the sacrificial region is provided and short-circuited in the sacrificial region before the element or cell is short-circuited. Therefore, the sacrificial region is configured to cause a short circuit when a voltage lower than a short circuit voltage causing a short circuit is applied in the drive region including the cell.

こうした考え方に基づいて、次の様な実施形態が可能である。例えば、前記犠牲領域で短絡が起きることで流れる過電流により前記駆動領域への電圧印加を停止する様に構成されたヒューズなどの停止手段を更に有することができる。1つ以上の前記犠牲領域は、1つ以上のセルからなるエレメント毎またはセル毎に設けることができる。複数の犠牲領域を設ける場合、それぞれ、前記短絡を起こす電圧が異なる様に構成することができる。また、前記駆動領域の第2の電極を絶縁膜上に設け、駆動領域の絶縁膜の厚さを、前記犠牲領域の絶縁部の厚さよりも薄く形成することができる。その他、駆動領域の絶縁膜と犠牲領域の絶縁部の材料、生成法を異ならせることもできる。本発明の静電容量型電気機械変換装置で用いられる第1の電極は、次の様な材料で形成できる。即ち、Al、Cr、Ti、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta、Ni等から選択される導電体、Si等の半導体、AlSi、AlCu、AlTi、MoW、AlCr、TiN、AlSiCu等から選択される合金のうちの少なくとも一材料で形成できる。また、第2の電極は、振動膜(絶縁膜)の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは、振動膜を導電体や半導体で形成する場合は振動膜が第2の電極を兼ねる構造とできる。第2の電極も、第1の電極と同様な導電体や半導体等により形成することができる。第1の電極と第2の電極の材料は異なっていてもよい。 Based on this concept, the following embodiments are possible. For example, it may further include a stopping means such as a fuse configured to stop the voltage application to the driving region due to an overcurrent flowing when a short circuit occurs in the sacrificial region. One or more sacrificial regions may be provided for each element or cell comprising one or more cells. In the case where a plurality of sacrificial regions are provided, the sacrificial regions can be configured to have different voltages that cause the short circuit. Further, the second electrode of the driving region can be provided on the insulating film, and the thickness of the insulating film of the driving region can be made thinner than the thickness of the insulating portion of the sacrificial region. In addition, the material and generation method of the insulating film in the driving region and the insulating portion in the sacrificial region can be different. The first electrode used in the capacitive electromechanical transducer of the present invention can be formed of the following material. That is, a conductor selected from Al, Cr, Ti, Au, Pt, Cu, Ag, W, Mo, Ta, Ni, etc., a semiconductor such as Si, AlSi, AlCu, AlTi, MoW, AlCr, TiN, AlSiCu, etc. It can be made of at least one material selected from the alloys In addition, the second electrode is provided on at least one of the top surface, the back surface, and the inside of the vibration film (insulating film), or when the vibration film is formed of a conductor or semiconductor, the vibration film is the second film. The structure can also serve as an electrode. The second electrode can also be formed using the same conductor, semiconductor, or the like as the first electrode. The materials of the first electrode and the second electrode may be different.

以下、本発明の容量型電気機械変換装置の実施形態を図を用いて説明する。
(第一の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第一の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図1(a)と図1(a)のA−A’断面図の図1(b)を用いて説明する。本実施形態において、基板1の上に、第一電極(下部電極)2と第二電極(上部電極)3が対向して設けられ、セルを構成している。セルを含む駆動領域6は、対向する第一電極2と第二電極3の間に、キャビティ(空隙)4と絶縁膜5を備える。第二電極3は、絶縁膜5の上部で配線されている。第二電極3は、駆動領域6以外の部分では、キャビティ4の無い領域を渡り、犠牲領域7の表面を覆う様に配線されている。犠牲領域7は、犠牲領域7の上部に電極パッドを有しており、この電極パッドは上記配線により第二電極3と電気的に繋がっている。この様にして、第一電極2と第二電極3は、絶縁部を挟んだ構成で、接続され、バイアス電圧を印加することができる。。基板1は、シリコンウェハやガラス基板などの各種基板を用いることができる。本実施形態で、第一電極2及び第二電極3は、例えば、Al、Cr、Ti、Au、Pt、Cuのうちの少なくとも1つの材料により形成されるが、その他の導電性の材料でもよい。
Hereinafter, an embodiment of a capacitive electromechanical transducer of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1A is a top view showing the basic structure of the first embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. It explains using. In the present embodiment, a first electrode (lower electrode) 2 and a second electrode (upper electrode) 3 are provided on the substrate 1 so as to constitute a cell. The drive region 6 including the cell includes a cavity (gap) 4 and an insulating film 5 between the first electrode 2 and the second electrode 3 facing each other. The second electrode 3 is wired above the insulating film 5. In the portion other than the drive region 6, the second electrode 3 is wired so as to cover the surface of the sacrificial region 7 across the region without the cavity 4. The sacrificial region 7 has an electrode pad above the sacrificial region 7, and this electrode pad is electrically connected to the second electrode 3 by the wiring. In this way, the first electrode 2 and the second electrode 3 are connected to each other with the insulating portion interposed therebetween, and a bias voltage can be applied. . As the substrate 1, various substrates such as a silicon wafer and a glass substrate can be used. In the present embodiment, the first electrode 2 and the second electrode 3 are formed of, for example, at least one material of Al, Cr, Ti, Au, Pt, and Cu, but may be other conductive materials. .

駆動領域6の絶縁膜5及び犠牲領域7の絶縁部は、例えば、SiNやSiOにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。キャビティ4は、空気またはガスを充填してもよく、製造方法により、大気圧よりも低い圧力になる様にしてもよい。犠牲領域7の絶縁部は、絶縁膜5よりも絶縁耐圧が低いことが好ましい。例えば、絶縁膜5と犠牲領域7の絶縁部の絶縁材料を異なるものにする。或いは、同じ絶縁材料であっても、絶縁膜の生成法を変えることで、駆動領域6の絶縁膜5に対して犠牲領域7の絶縁部の絶縁耐圧を低くすることが可能である。例えば、絶縁材料の種類として、SiN、SiO、Al、Ta、TiO、などが挙げられる。各絶縁材料の絶縁耐圧は生成法により異なるが、先に挙げた順に、2〜10×10[V/cm]、3〜11×10[V/cm]、3〜8×10[V/cm]、5×10[V/cm]、0.5×10[V/cm]、の範囲である。また、例えば、SiOの生成法は、熱酸化法、プラズマ酸化法、CVD(chemical vapor deposition)法、陽極酸化法などが挙げられる。各手法で生成した酸化膜の絶縁耐圧は、先に挙げた順に、5〜10×10[V/cm]、3〜7×10[V/cm]、4×10[V/cm]、7〜11×10[V/cm]、の範囲である。SiO膜の場合、プラズマ酸化法と陽極酸化法で夫々の絶縁膜を形成すれば、絶縁耐圧の異なる絶縁膜を生成できる。また、同じ生成法を用いて異なる種類の絶縁膜を生成することで、絶縁耐圧の異なる絶縁膜を生成することもできる。例えば、プラズマCVD法にてSiO膜を生成すれば、堆積条件により異なるが、8×10[V/cm]程度の絶縁耐圧を有する膜を生成することができる。同じくプラズマCVD法にてSiN膜を生成すれば、堆積条件により異なるが、2×10[V/cm]程度の絶縁耐圧を有する膜を生成できる。更に、成膜の厚さを変えることで絶縁耐圧を調整することもできる。この様に、絶縁材料、生成法、膜厚の組み合わせにより、絶縁膜5と犠牲領域7の絶縁部との絶縁耐圧差を調整することができる。 The insulating film 5 in the drive region 6 and the insulating portion in the sacrificial region 7 are formed of, for example, SiN or SiO 2, but other insulating materials may be used. The cavity 4 may be filled with air or gas, and may be set to a pressure lower than the atmospheric pressure depending on the manufacturing method. The insulating part of the sacrificial region 7 preferably has a lower withstand voltage than the insulating film 5. For example, different insulating materials are used for the insulating portions of the insulating film 5 and the sacrificial region 7. Alternatively, even with the same insulating material, it is possible to lower the withstand voltage of the insulating portion of the sacrificial region 7 with respect to the insulating film 5 of the drive region 6 by changing the method of generating the insulating film. For example, as the type of insulating material, SiN, SiO 2, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, TiO 2, and the like. Although the withstand voltage of each insulating material varies depending on the generation method, it is 2 to 10 × 10 6 [V / cm], 3 to 11 × 10 6 [V / cm], and 3 to 8 × 10 6 [V]. V / cm], 5 × 10 6 [V / cm], and 0.5 × 10 6 [V / cm]. For example, examples of the method for generating SiO 2 include thermal oxidation, plasma oxidation, CVD (chemical vapor deposition), and anodization. The dielectric breakdown voltage of the oxide film generated by each method is 5 to 10 × 10 6 [V / cm], 3 to 7 × 10 6 [V / cm], and 4 × 10 6 [V / cm] in the order given above. ], 7 to 11 × 10 6 [V / cm]. In the case of a SiO 2 film, insulating films having different withstand voltages can be generated by forming respective insulating films by plasma oxidation and anodic oxidation. Further, by generating different types of insulating films using the same generation method, insulating films having different withstand voltages can be generated. For example, if a SiO 2 film is generated by a plasma CVD method, a film having a withstand voltage of about 8 × 10 6 [V / cm] can be generated, although it varies depending on deposition conditions. Similarly, if a SiN film is generated by the plasma CVD method, a film having a withstand voltage of about 2 × 10 6 [V / cm] can be generated although it varies depending on the deposition conditions. Furthermore, the withstand voltage can be adjusted by changing the thickness of the film formation. Thus, the withstand voltage difference between the insulating film 5 and the insulating portion of the sacrificial region 7 can be adjusted by a combination of the insulating material, the generation method, and the film thickness.

こうした構成において、第一電極2と犠牲領域7の電極パッドの間にバイアス電圧を印加すると、バイアス電圧の大きさに応じて、駆動領域6の第一電極2と第二電極3との間の距離が変化する。この状態で、外部から音響エネルギーが駆動領域6に入射すると、駆動領域6の絶縁膜5が振動する。これにより、駆動領域6の第一電極2と第二電極3との間の静電容量が変化し、この静電容量変化を、例えば、第一電極2を介して電圧の変化として検出することで、入射した音響エネルギーの検出が可能となる。 In such a configuration, when a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7, the voltage between the first electrode 2 and the second electrode 3 in the drive region 6 is increased according to the magnitude of the bias voltage. The distance changes. In this state, when acoustic energy enters the drive region 6 from the outside, the insulating film 5 in the drive region 6 vibrates. As a result, the capacitance between the first electrode 2 and the second electrode 3 in the drive region 6 changes, and this change in capacitance is detected as a change in voltage via the first electrode 2, for example. Thus, the incident acoustic energy can be detected.

本実施形態の動作を説明する。図1の構成において、印加するバイアス電圧を上昇させていくことで、静電引力の作用により、駆動領域6の第一電極2と第二電極3との間の距離が狭くなる。これにより、外部への音響エネルギーの放射圧を高められる。また、入射した音響エネルギーの検出性能を高めることができる。しかし、印加するバイアス電圧を上昇させ過ぎると、或る電圧に達した瞬間に第一電極2と第二電極3が絶縁膜5を介して吸着し、所望の振動特性が得られなくなる。この現象をプルインと呼び、プルインが発生する電圧をプルイン電圧と呼ぶ。絶縁膜5は、プルイン電圧で短絡しない絶縁耐圧を有することが望ましい。プルイン後、更にバイアス電圧を上昇させると、或る電圧で犠牲領域7の絶縁部を挟んでいる第一電極2と第二電極3が短絡する。犠牲領域7の短絡により、駆動領域6へ印加しているバイアス電圧が低下する。これにより、犠牲領域7以外の部分の破壊を防ぐことができる。以上のことが犠牲領域7の果たすべき機能であり、犠牲領域7はこうした機能を完遂できる様に構成される。 The operation of this embodiment will be described. In the configuration of FIG. 1, by increasing the bias voltage to be applied, the distance between the first electrode 2 and the second electrode 3 in the drive region 6 becomes narrow due to the action of electrostatic attraction. Thereby, the radiation pressure of the acoustic energy to the outside can be increased. Moreover, the detection performance of the incident acoustic energy can be enhanced. However, if the bias voltage to be applied is increased too much, the first electrode 2 and the second electrode 3 are adsorbed via the insulating film 5 at the moment when a certain voltage is reached, and desired vibration characteristics cannot be obtained. This phenomenon is called pull-in, and the voltage at which pull-in occurs is called a pull-in voltage. The insulating film 5 desirably has a withstand voltage that does not short-circuit with the pull-in voltage. When the bias voltage is further increased after the pull-in, the first electrode 2 and the second electrode 3 sandwiching the insulating portion of the sacrificial region 7 with a certain voltage are short-circuited. Due to the short circuit of the sacrificial region 7, the bias voltage applied to the drive region 6 decreases. Thereby, destruction of parts other than the sacrificial region 7 can be prevented. The above is the function that the sacrificial region 7 should perform, and the sacrificial region 7 is configured so that such a function can be completed.

図1は、駆動領域6の第一電極2と第二電極3との間にキャビティ4と絶縁膜5を介在させた構成を示しているが、絶縁膜5の無い構成にしてもよい(つまり、第二電極3に振動膜としての機能も兼ねさせる)。その場合には、犠牲領域7の絶縁耐圧値を上記プルイン電圧よりも低い値にすることで、犠牲領域7以外の部分の破壊を防ぐことができる。また、図1の構成において、第一電極2と第二電極3の間に、絶縁膜5を何層か介在させてもよい。更に、駆動領域6において、第一電極2と接する様に絶縁膜を設け、その上にキャビティ4、絶縁膜5、第二電極3を設けるという構成にしてもよい。駆動領域6ないしキャビティ4の形状は、円形(図1(a)の破線で示す)でも四辺形でも六角形などでもよく、場合に応じて所望の形状にすることができる。 FIG. 1 shows a configuration in which a cavity 4 and an insulating film 5 are interposed between the first electrode 2 and the second electrode 3 in the drive region 6, but a configuration without the insulating film 5 may be used (that is, The second electrode 3 also functions as a vibration film). In that case, by setting the dielectric strength value of the sacrificial region 7 to a value lower than the pull-in voltage, it is possible to prevent the portion other than the sacrificial region 7 from being destroyed. In the configuration of FIG. 1, several insulating films 5 may be interposed between the first electrode 2 and the second electrode 3. Further, in the drive region 6, an insulating film may be provided so as to be in contact with the first electrode 2, and the cavity 4, the insulating film 5, and the second electrode 3 may be provided thereon. The shape of the drive region 6 to the cavity 4 may be circular (indicated by a broken line in FIG. 1A), a quadrangle, a hexagon, or the like, and can be made into a desired shape according to circumstances.

図1に示す様な容量型電気機械変換装置の作製方法としては、様々な方法が公知である。例えば、接合型やサーフェス型などの方法で作製することが可能である。接合型では、例えば、シリコン基板上にキャビティ構造を形成し、その上にSOI基板を接合させて作製する。サーフェス型では、例えば、シリコン基板上に下部電極と犠牲層を形成する。そして、キャビティとなる犠牲層のパターンを形成し、その上に振動膜(絶縁膜)と支持部を形成した後、犠牲層をエッチングすることでキャビティを形成する。これら公知の作製方法の中で、絶縁材料や生成法などの組み合わせにより、二枚の電極間に存在する絶縁膜5と犠牲領域7を構成する絶縁部との絶縁耐圧差を調整することができる。 Various methods are known for producing a capacitive electromechanical transducer as shown in FIG. For example, it can be produced by a joining type or surface type method. In the bonding type, for example, a cavity structure is formed on a silicon substrate, and an SOI substrate is bonded on the cavity structure. In the surface type, for example, a lower electrode and a sacrificial layer are formed on a silicon substrate. A sacrificial layer pattern to be a cavity is formed, a vibration film (insulating film) and a support portion are formed thereon, and then the sacrificial layer is etched to form a cavity. Among these known manufacturing methods, the withstand voltage difference between the insulating film 5 existing between the two electrodes and the insulating portion constituting the sacrificial region 7 can be adjusted by a combination of an insulating material and a generation method. .

本実施形態では、駆動領域のセルが短絡する前に犠牲領域の絶縁部が短絡する様に構成されているので、例えば、セルが短絡する程の高電圧が誤って印加された場合でも、セルないしエレメントの破壊を防ぐことが可能となる。また、使用時にセルが短絡する前に、前もって必要としないセルが短絡する程の電圧を装置に印加するなどすれば、必要としないセルを排除することもできるので、所望するセルのみを再使用することが可能となる。 In this embodiment, the sacrificial region insulating portion is short-circuited before the driving region cell is short-circuited. For example, even when a high voltage enough to cause the cell to be short-circuited is applied by mistake, the cell Or it becomes possible to prevent destruction of the element. In addition, before a cell is short-circuited at the time of use, if a voltage is applied to the device so that a cell that is not required in advance is short-circuited, unnecessary cells can be eliminated, so only the desired cell is reused. It becomes possible to do.

(第二の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第二の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図2(a)と図2(a)のB−B’断面図の図2(b)を用いて説明する。本実施形態は電圧印加停止手段を有する。
(Second embodiment)
FIG. 2 (a) is a top view showing the basic structure of the second embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention, and FIG. 2 (b) is a BB ′ sectional view of FIG. 2 (a). It explains using. This embodiment has a voltage application stop means.

図2に示される基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7は、第一の実施形態と同じである。電圧印加停止手段であるヒューズ9は、駆動領域6が有する第二電極3の一部と、犠牲領域7が有する電極パッドとを電気的に結合している。ヒューズ9は、犠牲領域7の短絡で流れる過電流により分断されることが好ましい。例えば、第二電極3よりも融点の低い導電性の材料や、抵抗値の高い導電性の材料が好ましい。例として、導電性半導体、金属、金属合金、不純物添加シリコンなどが挙げられる。また、ヒューズ9は第二電極3と同一の材料としてもよいが、形状、長さ、幅、厚さ、面積などの調整により、第二電極3よりも抵抗値を高くすることが好ましい。 The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, and the sacrificial region 7 shown in FIG. 2 are the same as those in the first embodiment. The fuse 9 serving as a voltage application stopping unit electrically couples a part of the second electrode 3 included in the drive region 6 and the electrode pad included in the sacrifice region 7. The fuse 9 is preferably divided by an overcurrent that flows due to a short circuit in the sacrificial region 7. For example, a conductive material having a melting point lower than that of the second electrode 3 or a conductive material having a high resistance value is preferable. Examples include conductive semiconductors, metals, metal alloys, and doped silicon. The fuse 9 may be made of the same material as that of the second electrode 3, but it is preferable to make the resistance value higher than that of the second electrode 3 by adjusting the shape, length, width, thickness, area, and the like.

図2の構成において、第一電極2と犠牲領域7の電極パッドとの間に、犠牲領域7が短絡する程のバイアス電圧が印加されると、犠牲領域7が短絡し過電流が発生する。この過電流によりヒューズ9は溶断される。こうして、犠牲領域7とヒューズ9以外の部分の破壊を防ぐことができる。また、ヒューズ9の溶断により、第二電極3と犠牲領域7を自動的に電気的に分断することができる。 In the configuration of FIG. 2, when a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7 so that the sacrificial region 7 is short-circuited, the sacrificial region 7 is short-circuited and an overcurrent is generated. The fuse 9 is blown by this overcurrent. In this way, destruction of parts other than the sacrificial region 7 and the fuse 9 can be prevented. Further, the second electrode 3 and the sacrificial region 7 can be automatically electrically separated by blowing the fuse 9.

図3は本実施形態の変形例を示す。図3(a)が上面図であり、図3(b)が図3(a)のC−C’断面図である。図3に示される基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7は、第一の実施形態と同じである。この変形例は、駆動領域6の第二電極3が引き出された第二電極引出しパッド8を有している。そして、ヒューズ9は、第一電極2の一部と犠牲領域7が有する電極パッド(不図示)とを電気的に繋いでいる。この状態で、犠牲領域7が有する電極パッドと第二電極3との間にバイアス電圧を印加することで、駆動領域6にバイアス電圧を印加できる。このバイアス電圧を、犠牲領域7が短絡するまで上昇させると、犠牲領域7が短絡し過電流が発生する。この過電流によりヒューズ9は溶断される。こうして、犠牲領域7とヒューズ9以外の部分の破壊を防ぐことができる。また、ヒューズ9の溶断により、破壊された犠牲領域7と第一電極2とを自動的に分断することができる。このとき用いるヒューズは、インダクタンスを有するヒューズが好ましい。 FIG. 3 shows a modification of this embodiment. 3A is a top view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ of FIG. The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, and the sacrificial region 7 shown in FIG. 3 are the same as those in the first embodiment. This modification has a second electrode extraction pad 8 from which the second electrode 3 of the drive region 6 is extracted. The fuse 9 electrically connects a part of the first electrode 2 and an electrode pad (not shown) included in the sacrificial region 7. In this state, a bias voltage can be applied to the drive region 6 by applying a bias voltage between the electrode pad of the sacrificial region 7 and the second electrode 3. When this bias voltage is increased until the sacrificial region 7 is short-circuited, the sacrificial region 7 is short-circuited and an overcurrent is generated. The fuse 9 is blown by this overcurrent. In this way, destruction of parts other than the sacrificial region 7 and the fuse 9 can be prevented. Further, the destroyed sacrificial region 7 and the first electrode 2 can be automatically separated by fusing the fuse 9. The fuse used at this time is preferably a fuse having inductance.

(第三の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第三の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図4(a)と図4(a)のD−D’断面図の図4(b)を用いて説明する。本実施形態では、犠牲領域7が、1つ以上のセルを含むエレメント19毎に設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 4 (a) is a top view showing the basic structure of the third embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention, and FIG. 4 (b) is a sectional view taken along the line DD 'in FIG. 4 (a). It explains using. In the present embodiment, the sacrificial region 7 is provided for each element 19 including one or more cells.

図4において、複数のセルが電極パターンで接続されており、1つのエレメント(画素)19を構成している。駆動領域6を三行三列(図4の例)や四行四列の形態をなす様に設けて、エレメント19内のセルの充填度をあげることで、音響エネルギーの放射圧力を高め、検出性能を高めることができる。駆動領域6は、図示に如く升目状に配置してもよいし、千鳥状やランダムに配置してもよく、所望の形態で配置することができる。また、犠牲領域7は、引き出された第二電極3と図4に示す如く直列に並べてもよいし、図5の様に、引き出された第二電極3の引き出しパッド8に対して並列に並べてもよい。つまり、犠牲領域7は所望の部分に設けることができる。基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7は、第一の実施形態と同じである。 In FIG. 4, a plurality of cells are connected by an electrode pattern to constitute one element (pixel) 19. The drive region 6 is provided in the form of three rows and three columns (example in FIG. 4) or four rows and four columns, and the filling degree of the cells in the element 19 is increased, so that the radiation pressure of acoustic energy is increased and detected. Performance can be increased. The drive region 6 may be arranged in a grid shape as shown in the figure, may be arranged in a staggered manner or randomly, and can be arranged in a desired form. Further, the sacrificial region 7 may be arranged in series with the extracted second electrode 3 as shown in FIG. 4, or in parallel with the extraction pad 8 of the extracted second electrode 3 as shown in FIG. Also good. That is, the sacrificial region 7 can be provided in a desired portion. The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, and the sacrificial region 7 are the same as those in the first embodiment.

図4及び図5の構成において、第一電極2と犠牲領域7が有する電極パッドとの間に、犠牲領域が短絡する程のバイアス電圧を印加してしまった場合、第一電極2と犠牲領域7が有する電極パッドが短絡する。犠牲領域7の短絡により、駆動領域6のセルの集合体であるエレメント19へ印加しているバイアス電圧が低下する。これにより、犠牲領域7以外の部分の破壊を防ぐことができる。 4 and 5, when a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7 so that the sacrificial region is short-circuited, the first electrode 2 and the sacrificial region 7 is short-circuited. Due to the short circuit of the sacrificial region 7, the bias voltage applied to the element 19, which is an assembly of cells in the drive region 6, decreases. Thereby, destruction of parts other than the sacrificial region 7 can be prevented.

また、図4及び図5の様なエレメントを複数個並べることで、広範囲に渡って音響エネルギーの放射と検出が可能になる。この場合、印加するバイアス電圧に対する各エレメントの応答に差があると、不具合が生じる恐れがある。例えば、音響エネルギーの放射時に、放射方向が曲がってしまったり、検出時にエレメント間で感度ばらつきが生じて真の値を検出することが出来なくなってしまったりする。その為、エレメント毎に犠牲領域7を設け、エレメント毎に第一電極2と犠牲領域7の電極パッドとの間に所定のバイアス電圧を印加することで、ばらつきの大きなエレメントを排除することが可能になる。つまり、前もって所定のバイアス電圧を印加することで、前記所定の電圧で短絡する犠牲領域7に繋がった不所望のエレメントを排除でき、その後、所望の同じエレメントを再使用することが可能となる。 Also, by arranging a plurality of elements as shown in FIGS. 4 and 5, acoustic energy can be emitted and detected over a wide range. In this case, if there is a difference in the response of each element with respect to the bias voltage to be applied, there is a possibility that a malfunction occurs. For example, when radiating acoustic energy, the radiation direction is bent, or when detecting, variations in sensitivity occur between elements, and a true value cannot be detected. Therefore, by providing a sacrificial region 7 for each element and applying a predetermined bias voltage between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7 for each element, it is possible to eliminate elements with large variations. become. That is, by applying a predetermined bias voltage in advance, an undesired element connected to the sacrificial region 7 that is short-circuited at the predetermined voltage can be eliminated, and then the same desired element can be reused.

更に、複数個並べたエレメント毎に、エレメント19が有する犠牲領域7の絶縁耐圧を変えることもできる。例えば、2つの隣り合うエレメントの内、片方を放射、もう一方を検出に使用する場合には、放射に用いるエレメントの犠牲領域7の絶縁耐圧を高く設定し、検出に用いるエレメントの犠牲領域7の絶縁耐圧を低く設定することができる。この様に各エレメントの特性に応じて絶縁耐圧を設定することで、最大限に各エレメントの性能を引き出しながら、エレメントの破壊を未然に防止することが可能となる。 Furthermore, the withstand voltage of the sacrificial region 7 of the element 19 can be changed for each of a plurality of elements arranged. For example, when one of two adjacent elements is used for radiation and the other is used for detection, the withstand voltage of the sacrificial region 7 of the element used for radiation is set high, and the sacrificial region 7 of the element used for detection is set. The withstand voltage can be set low. Thus, by setting the withstand voltage according to the characteristics of each element, it is possible to prevent the element from being destroyed while maximizing the performance of each element.

(第四の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第四の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図6(a)と図6(a)のE−E’断面図の図6(b)を用いて説明する。本実施形態では、複数の犠牲領域7が設けられている。
(Fourth embodiment)
FIG. 6A of the top view showing the basic structure of the fourth embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention and FIG. 6B of the EE ′ cross-sectional view of FIG. It explains using. In the present embodiment, a plurality of sacrificial regions 7 are provided.

図6の構成においても、複数のセルが電極パターンで接続され、1つのエレメント(画素)19を構成している。基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7、第二電極引出しパッド8は、第三の実施形態と同じである。本実施形態では、図6に示す様に、犠牲領域7を複数個設ける。複数の犠牲領域7のうちの1つと第二電極引き出しパッド8とがヒューズ9で電気的に繋がれている。この状態で、第一電極2とこの犠牲領域7が有する電極パッドとの間に、犠牲領域が短絡する程のバイアス電圧を印加してしまった場合、第一電極2とこの犠牲領域7の電極パッドとが短絡する。この犠牲領域7の短絡により、過電流が流れ、ヒューズ9が分断する。これにより、駆動領域6のセルの集合体であるエレメント19へ印加しているバイアス電圧が低下し、この結果、上記犠牲領域7とヒューズ9以外の部分の破壊を防ぐことができる。 Also in the configuration of FIG. 6, a plurality of cells are connected by an electrode pattern to constitute one element (pixel) 19. The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, the sacrificial region 7, and the second electrode lead pad 8 are the same as in the third embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a plurality of sacrificial regions 7 are provided. One of the plurality of sacrificial regions 7 and the second electrode lead pad 8 are electrically connected by a fuse 9. In this state, when a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7 so that the sacrificial region is short-circuited, the electrode of the first electrode 2 and the sacrificial region 7 is applied. The pad is short-circuited. Due to the short circuit of the sacrificial region 7, an overcurrent flows and the fuse 9 is divided. As a result, the bias voltage applied to the element 19, which is an assembly of cells in the drive region 6, is lowered, and as a result, it is possible to prevent destruction of portions other than the sacrificial region 7 and the fuse 9.

図6の構成の場合、犠牲領域7が複数個設けられている為、破壊されていない他の犠牲領域7が有する電極パッドと第二電極引き出しパッド8とを新たにヒューズ9で接続し、この電極パッドと第一電極2とを接続することで、再度同じ様に装置を使用できる。図7(a)は、犠牲領域7が破壊(符号14で示す)されヒューズ9が分断した後の様子を模式的に示し、図7(b)は、他の犠牲領域7の電極パッドと第二電極引き出しパッド8とを新しいヒューズ9で再度接続した後の形態を模式的に示す。 In the case of the configuration of FIG. 6, since a plurality of sacrificial regions 7 are provided, the electrode pads of the other sacrificial regions 7 that are not destroyed and the second electrode lead pad 8 are newly connected by fuses 9. By connecting the electrode pad and the first electrode 2, the apparatus can be used again in the same manner. FIG. 7A schematically shows a state after the sacrificial region 7 is broken (indicated by reference numeral 14) and the fuse 9 is divided, and FIG. The form after reconnecting the two-electrode lead pad 8 with a new fuse 9 is schematically shown.

図6の構成では、犠牲領域7の電極パッドと第二電極引き出しパッド8をヒューズ9で接続したが、ヒューズ9を用いなくてもよい。その場合には、犠牲領域7が破壊されたなら、その犠牲領域7の電極パッドと第二電極引き出しパッド8とを接続している配線を、レーザーやダイサー、超音波カッターなどの切断手段で切断することができる。そして、再度使用するときは、別の犠牲領域7の電極パッドと第二電極引き出しパッド8とを配線で再度接続すればよい。しかし、駆動中における切断のことを考慮すると、ヒューズ9を用いる方が好ましい。 In the configuration of FIG. 6, the electrode pad of the sacrificial region 7 and the second electrode lead pad 8 are connected by the fuse 9, but the fuse 9 may not be used. In that case, if the sacrificial region 7 is destroyed, the wiring connecting the electrode pad of the sacrificial region 7 and the second electrode lead pad 8 is cut by a cutting means such as a laser, a dicer, or an ultrasonic cutter. can do. And when using again, the electrode pad of another sacrificial area 7 and the 2nd electrode lead pad 8 should just be connected again by wiring. However, considering the disconnection during driving, it is preferable to use the fuse 9.

また、図6の構成で、複数個の犠牲領域7を絶縁耐圧の高い方から順に互いにヒューズ9で直線状に結合し、最も絶縁耐圧の高い犠牲領域7と第二電極引き出しパッド8とをヒューズ9で接続し、最も絶縁耐圧の低い犠牲領域7を第一電極2と接続してもよい。この場合、絶縁耐圧の低い1つ或いは複数の犠牲領域7で短絡したとき、これより絶縁耐圧の高い犠牲領域7を第一電極2と新たに接続して再度使用することができる。またこの場合、実際にエレメント19に印加している電圧を複数段階に分けてモニタすることができる。このモニタ結果は、例えば、再度使用するときの電圧制御に反映させることができる。 Further, in the configuration of FIG. 6, a plurality of sacrificial regions 7 are linearly coupled to each other by a fuse 9 in order from the highest withstand voltage, and the sacrificial region 7 having the highest withstand voltage and the second electrode lead pad 8 are fused. The sacrificial region 7 having the lowest withstand voltage may be connected to the first electrode 2. In this case, when one or a plurality of sacrificial regions 7 having a low withstand voltage are short-circuited, the sacrificial region 7 having a higher withstand voltage can be newly connected to the first electrode 2 and used again. In this case, the voltage actually applied to the element 19 can be monitored in a plurality of stages. This monitoring result can be reflected, for example, in voltage control when used again.

更に、図8(a)に示す様に構成することもできる。ここでは、第二電極引出しパッド8へ延びる第二電極2の配線部分に対し、並列に設けた複数の犠牲領域7をそれぞれヒューズ9で接続している。この場合、それぞれの犠牲領域7の絶縁耐圧を異なる様に設計しておくと、実際にエレメント19に印加している電圧を複数段階に分けてモニタすることができる。 Furthermore, it can also be configured as shown in FIG. Here, a plurality of sacrificial regions 7 provided in parallel are connected by fuses 9 to the wiring portion of the second electrode 2 extending to the second electrode lead pad 8. In this case, if the withstand voltage of each sacrificial region 7 is designed to be different, the voltage actually applied to the element 19 can be monitored in a plurality of stages.

また更に、図8(b)に示す様に構成することもできる。ここでは、犠牲領域7が複数個設けられ、中心の犠牲領域7に複数個の犠牲領域7が放射状に結合している。そして、中心の犠牲領域7と第二電極引出しパッド8がヒューズ9で電気的に接続されている。中心の犠牲領域7と他の犠牲領域7は、第二電極3と同様な導電性の配線で接続されている。この状態で、中心の犠牲領域7の電極パッドと第一電極2との間にバイアス電圧を印加し、印加電圧が5つの犠牲領域7のうちのどれか1つの絶縁耐圧を超えると、第一電極2とこの犠牲領域7の電極パッドとが短絡する。この犠牲領域7の短絡により、過電流が流れ、ヒューズ9が分断する。図8(b)に示す様に複数個の犠牲領域7を互いに結合することで、犠牲領域7の短絡を生じさせる確度を向上させることができる。また、図8(b)の構成においても、絶縁耐圧の異なる犠牲領域7を互いにヒューズで放射状に結合し、中央の犠牲領域7の絶縁耐圧を最も高くして第二電極引き出しパッド8とヒューズ9で接続してもよい。この構成によっても、実際にエレメント19に印加している電圧を複数段階に分けてモニタすることができる。 Furthermore, it can also be configured as shown in FIG. Here, a plurality of sacrificial regions 7 are provided, and a plurality of sacrificial regions 7 are radially coupled to the central sacrificial region 7. The central sacrificial region 7 and the second electrode lead pad 8 are electrically connected by a fuse 9. The central sacrificial region 7 and the other sacrificial region 7 are connected by the same conductive wiring as that of the second electrode 3. In this state, when a bias voltage is applied between the electrode pad of the central sacrificial region 7 and the first electrode 2, and the applied voltage exceeds the dielectric strength voltage of any one of the five sacrificial regions 7, The electrode 2 and the electrode pad in the sacrificial region 7 are short-circuited. Due to the short circuit of the sacrificial region 7, an overcurrent flows and the fuse 9 is divided. As shown in FIG. 8B, by connecting the plurality of sacrificial regions 7 to each other, the accuracy of causing a short circuit of the sacrificial regions 7 can be improved. Also in the configuration of FIG. 8B, the sacrificial regions 7 having different withstand voltages are radially connected to each other by fuses, and the withstand voltage of the central sacrificial region 7 is set to be the highest so that the second electrode lead pad 8 and the fuse 9 You may connect with. Also with this configuration, the voltage actually applied to the element 19 can be monitored in a plurality of stages.

(第五の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第五の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図9(a)と図9(a)のF−F’断面図の図9(b)を用いて説明する。図9の構成では、複数のセルが電極パターンで接続されており、1つのエレメント(画素)19を構成している。ここでは、セルを含む駆動領域6を行列形態(図示例では三行二列)で配列し、エレメント19内のセルの充填度をあげている。これにより、音響エネルギーの放射圧力を高め、検出性能を高めることができる。基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7、ヒューズ9は、第四の実施形態と同じである。
(Fifth embodiment)
FIG. 9A of the top view showing the basic structure of the fifth embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention and FIG. 9B of the FF ′ cross-sectional view of FIG. It explains using. In the configuration of FIG. 9, a plurality of cells are connected by an electrode pattern to constitute one element (pixel) 19. Here, the drive region 6 including the cells is arranged in a matrix form (three rows and two columns in the illustrated example) to increase the filling degree of the cells in the element 19. Thereby, the radiation pressure of acoustic energy can be raised and detection performance can be improved. The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, the sacrificial region 7, and the fuse 9 are the same as in the fourth embodiment.

本実施形態では、図9に示す様に、犠牲領域7をセル毎に設け、犠牲領域7の電極パッドと第一電極引き出しパッド28から伸びている配線部とをヒューズ9で繋いでいる。この状態で、第一電極2と第一電極引き出しパッド28との間に、各犠牲領域7が短絡する程のバイアス電圧を印加してしまった場合、第一電極2と犠牲領域7の電極パッドとが短絡する。犠牲領域7の短絡により、過電流が流れ、ヒューズ9が分断する。これにより、駆動領域6のセルへバイアス電圧が印加されなくなる。この結果、この犠牲領域7とヒューズ9以外の部分の破壊を防ぐことができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 9, the sacrificial region 7 is provided for each cell, and the electrode pad of the sacrificial region 7 and the wiring portion extending from the first electrode lead pad 28 are connected by the fuse 9. In this state, when a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the first electrode lead pad 28 so that each sacrificial region 7 is short-circuited, the electrode pads of the first electrode 2 and the sacrificial region 7 are applied. And short circuit. Due to the short circuit of the sacrificial region 7, an overcurrent flows and the fuse 9 is divided. As a result, the bias voltage is not applied to the cells in the drive region 6. As a result, it is possible to prevent the portion other than the sacrificial region 7 and the fuse 9 from being destroyed.

図9では、犠牲領域7の電極パッドと第一電極引き出しパッド28から伸びている配線部とをヒューズ9で接続したが、ヒューズ9を用いなくてもよい。その場合には、第四の実施形態で説明した様に、犠牲領域7の電極パッドと第一電極引き出しパッド28から伸びている配線部とを接続している配線を切断手段で切断することができる。ここでも、犠牲領域を複数個設け、犠牲領域7の電極パッドと第一電極引き出しパッド28から伸びている配線部を再度繋いで使用することができる。 In FIG. 9, the electrode pad in the sacrificial region 7 and the wiring portion extending from the first electrode lead pad 28 are connected by the fuse 9, but the fuse 9 may not be used. In that case, as described in the fourth embodiment, the wiring connecting the electrode pad of the sacrificial region 7 and the wiring portion extending from the first electrode lead pad 28 can be cut by the cutting means. it can. Also here, a plurality of sacrificial regions can be provided, and the electrode portion of the sacrificial region 7 and the wiring portion extending from the first electrode lead pad 28 can be connected again and used.

(第六の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第六の実施形態を、図9(a)の他のF−F’断面図である図10を用いて説明する。基板1、第一電極2、第二電極3、キャビティ4、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7、第一電極引出しパッド28、ヒューズ9は、第五の実施形態と同じである。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention will be described with reference to FIG. 10 which is another FF ′ sectional view of FIG. The substrate 1, the first electrode 2, the second electrode 3, the cavity 4, the insulating film 5, the drive region 6, the sacrificial region 7, the first electrode lead pad 28, and the fuse 9 are the same as in the fifth embodiment.

本実施形態では、図10に示す様に、犠牲領域7が有する絶縁部の厚さは、犠牲領域7以外の絶縁膜5の厚さよりも薄くなっている。絶縁膜5の作製法と同じ手法で犠牲領域7の絶縁部を作製した場合、犠牲領域7の絶縁部を適当な方法で薄く加工する必要がある。例えば、犠牲領域7以外の部分をレジスト等でマスクし、犠牲領域7の絶縁部のみをエッチング処理して所望の厚さにする。その後、レジスト等を除去し、第二電極3やヒューズ9を設けることで、図10の構造を実現できる。これにより、犠牲領域7の絶縁部の厚さを、所望の絶縁耐圧の厚さにすることができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the thickness of the insulating portion included in the sacrificial region 7 is thinner than the thickness of the insulating film 5 other than the sacrificial region 7. When the insulating portion of the sacrificial region 7 is manufactured by the same method as the method of manufacturing the insulating film 5, the insulating portion of the sacrificial region 7 needs to be thinly processed by an appropriate method. For example, portions other than the sacrificial region 7 are masked with a resist or the like, and only the insulating portion of the sacrificial region 7 is etched to have a desired thickness. Thereafter, the structure shown in FIG. 10 can be realized by removing the resist and the like and providing the second electrode 3 and the fuse 9. Thereby, the thickness of the insulating part of the sacrificial region 7 can be set to a desired withstand voltage.

(第七の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第七の実施形態を、図11を用いて説明する。本実施形態は、過電流検知手段と電圧印加遮断手段を有する容量型電気機械変換システムの一例である。図を見易くする為に、容量型電気機械変換装置は、1つのセルを含む形態で示している。第一電極2、第二電極3、絶縁膜5、駆動領域6、犠牲領域7は第一の実施形態と同じである。図11の構成は、更に、バイアス電圧印加用電源10、過電流検知手段である電流検出回路などである電流検知手段11、電圧印加遮断手段である電気接続をオン・オフするスイッチ12、制御信号経路13を備える。
(Seventh embodiment)
A seventh embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is an example of a capacitive electromechanical conversion system having overcurrent detection means and voltage application interruption means. In order to make the figure easy to see, the capacitive electromechanical transducer is shown in a form including one cell. The first electrode 2, the second electrode 3, the insulating film 5, the drive region 6, and the sacrificial region 7 are the same as in the first embodiment. 11 further includes a bias voltage application power source 10, current detection means 11 such as a current detection circuit as overcurrent detection means, a switch 12 for turning on / off electrical connection as voltage application interruption means, and a control signal. A path 13 is provided.

本実施形態において、スイッチ12を接続すると、第一の実施形態と同様に、第一電極2と犠牲領域7の電極パッドとの間にバイアス電圧が印加される。バイアス電圧が犠牲領域7の絶縁耐圧を超えると、犠牲領域7が短絡する。このとき、生じた過電流を電流検知手段11が検出すると、制御信号経路13を通じてスイッチ13を開放する信号が送られる。これにより、バイアス電圧の印加が遮断され、犠牲領域7以外の部分の破壊を防ぐことができる。すなわち、検知手段11による過電流の検知に応答して、遮断手段12により第一電極2と第二電極3との間への電圧の印加が遮断され、所望の部分が保護される。電流検知手段11は、どの様な構成のものでも用いられるが、バイアス電圧印加時に余計なノイズ信号を生じない構成にすることが好ましい。 In the present embodiment, when the switch 12 is connected, a bias voltage is applied between the first electrode 2 and the electrode pad of the sacrificial region 7 as in the first embodiment. When the bias voltage exceeds the withstand voltage of the sacrificial region 7, the sacrificial region 7 is short-circuited. At this time, when the current detection means 11 detects the generated overcurrent, a signal for opening the switch 13 is sent through the control signal path 13. Thereby, application of a bias voltage is interrupted | blocked and destruction of parts other than the sacrificial area | region 7 can be prevented. That is, in response to the detection of the overcurrent by the detection means 11, the application of the voltage between the first electrode 2 and the second electrode 3 is interrupted by the interruption means 12, and a desired portion is protected. The current detection means 11 may be of any configuration, but preferably has a configuration that does not generate an extra noise signal when a bias voltage is applied.

図11の構成では、ヒューズを用いていないが、ヒューズを用いた構成にしてもよい。また、電流検知手段11を、エレメント(画素)毎に設けることで、短絡した箇所を特定することもできる。この特定した情報をシステムにフィードバックすることで、短絡したエレメントを補う様に装置を駆動することができる。 In the configuration of FIG. 11, a fuse is not used, but a configuration using a fuse may be used. Further, by providing the current detection means 11 for each element (pixel), it is possible to specify a short-circuited location. By feeding this identified information back to the system, the device can be driven to compensate for the shorted element.

また、図6の構成の様に、複数個の犠牲領域7を絶縁耐圧の高い方から順に互いにヒューズ9で直線状に結合し、最も絶縁耐圧の高い犠牲領域7と第二電極引き出しパッド8とをヒューズ9で接続してもよい。更に、図8(a)の構成の様に、第二電極引出しパッド8へ延びる第二電極2の配線に対し、並列に設けた犠牲領域7をそれぞれヒューズ9で接続してもよい。これにより、第四の実施形態で説明した様に、複数段階に分けて印加電圧をモニタすることができる。また、図8(b)の構成の様にして、絶縁耐圧の異なる犠牲領域7を互いにヒューズ9で放射状に結合し、中央の犠牲領域7を最も絶縁耐圧を高くして第二電極引き出しパッド8とヒューズ9で接続してもよい。 Further, as in the configuration of FIG. 6, a plurality of sacrificial regions 7 are linearly coupled to each other by a fuse 9 in order from the highest withstand voltage, and the sacrificial region 7 having the highest withstand voltage and the second electrode lead pad 8 May be connected by a fuse 9. Further, as in the configuration of FIG. 8A, the sacrificial regions 7 provided in parallel may be connected by fuses 9 to the wiring of the second electrode 2 extending to the second electrode lead pad 8. Thereby, as described in the fourth embodiment, the applied voltage can be monitored in a plurality of stages. 8B, the sacrificial regions 7 having different withstand voltages are radially connected to each other by fuses 9, and the central sacrificial region 7 has the highest withstand voltage, and the second electrode lead pad 8 And a fuse 9.

(第八の実施形態)
本発明の容量型電気機械変換装置の第八の実施形態を、その基本構造を示す上面図の図12(a)と図12(a)のG−G’断面図の図12(b)を用いて説明する。図12の構成では、第一電極2の上に導電性の基板1があり、その上に絶縁膜25が存在し、絶縁膜25の一部にキャビティ4が形成されている。絶縁膜25の上にはシリコンメンブレン18が存在し、その上に第二電極3が配線されている。第二電極3は、駆動領域6以外の部分で、キャビティ4の無い領域を渡り、第二電極引き出しパッド8まで配線されている。犠牲領域7は、犠牲領域7が有する絶縁部の上にシリコンメンブレン18を有し、その上に電極パッドを有しており、この電極パッドは第二電極引き出しパッド8とヒューズ9を介して繋がっている。
(Eighth embodiment)
FIG. 12 (a) is a top view showing the basic structure of the eighth embodiment of the capacitive electromechanical transducer of the present invention, and FIG. 12 (b) is a sectional view taken along the line GG ′ of FIG. 12 (a). It explains using. In the configuration of FIG. 12, the conductive substrate 1 is on the first electrode 2, the insulating film 25 is present thereon, and the cavity 4 is formed in a part of the insulating film 25. A silicon membrane 18 exists on the insulating film 25, and the second electrode 3 is wired thereon. The second electrode 3 is wired to the second electrode lead pad 8 across the area without the cavity 4 except for the drive area 6. The sacrificial region 7 has a silicon membrane 18 on an insulating portion included in the sacrificial region 7 and an electrode pad on the silicon membrane 18. The electrode pad is connected to the second electrode lead pad 8 through a fuse 9. ing.

第一電極2は、図12(b)で示す様に、導電性の基板1を利用して取り出してもよいし、基板1がガラス等の絶縁体の場合には、絶縁体中の貫通配線を用いて上部へ取り出すのが好ましい。また、図12の構成では、第一電極2をエレメント(画素)19毎に溝で区切っているが、エレメント19毎に貫通配線を用いて電極を裏側へ引き出してもよい。犠牲領域7は、第一の実施形態と同様にして作製することができる。 As shown in FIG. 12B, the first electrode 2 may be taken out using a conductive substrate 1, or when the substrate 1 is an insulator such as glass, the through wiring in the insulator It is preferable to take out to the upper part using. In the configuration of FIG. 12, the first electrode 2 is divided by the groove for each element (pixel) 19, but the electrode may be drawn to the back side for each element 19 using a through wiring. The sacrificial region 7 can be produced in the same manner as in the first embodiment.

以上の実施形態において、第一電極2及び第二電極3を、容量型電気機械変換装置の上部(振動面側)に取り出しているが、片方の電極を裏側へ取り出してもよい。また、上記実施形態においては、主に、第二電極の一部と犠牲領域7の電極パッドとの間にヒューズを設けた構成で説明してきた。しかし、第一電極の一部と犠牲領域7の電極パッドとをヒューズで接続した構成を全ての実施形態で採用することもできる。 In the above embodiment, the first electrode 2 and the second electrode 3 are taken out to the upper part (vibration surface side) of the capacitive electromechanical transducer, but one electrode may be taken out to the back side. Moreover, in the said embodiment, it has mainly demonstrated with the structure which provided the fuse between a part of 2nd electrode and the electrode pad of the sacrificial area | region 7. FIG. However, a configuration in which a part of the first electrode and the electrode pad of the sacrificial region 7 are connected by a fuse can be adopted in all the embodiments.

また、以上の実施形態において、図13に示す様な構造を用いることもできる。図13(a)は、図7(a)の点線枠で囲った部分の領域15において犠牲領域7の周辺に防壁16を設けた構造を拡大して示す。犠牲領域7が短絡すると、絶縁破壊による火花が発生し、周囲に火花や犠牲領域7の電極の破片などが飛び散る可能性がある。これらの火花や破片の飛散を防ぐ為に、防壁16を犠牲領域7の周辺ないし周囲に設けてもよい。また、図13(b)に示す様に、犠牲領域7が有する電極パッドの形状を変えることで、これらの飛散を抑制することもできる。ここでは、電極パッドは、犠牲領域7へ繋がる配線17と接続する第1の部分と配線17が通る箇所を除いて前記第1の部分を囲む様に形成された第2の部分を有する。 In the above embodiment, a structure as shown in FIG. 13 can be used. FIG. 13A shows an enlarged view of a structure in which a barrier 16 is provided around the sacrificial region 7 in a region 15 surrounded by a dotted frame in FIG. When the sacrificial region 7 is short-circuited, sparks are generated due to dielectric breakdown, and sparks and electrode fragments in the sacrificial region 7 may be scattered around. In order to prevent scattering of these sparks and debris, a barrier 16 may be provided around or around the sacrificial region 7. Further, as shown in FIG. 13B, these scattering can be suppressed by changing the shape of the electrode pad included in the sacrificial region 7. Here, the electrode pad has a first portion connected to the wiring 17 connected to the sacrificial region 7 and a second portion formed so as to surround the first portion except a portion where the wiring 17 passes.

2…第一電極(下部電極)、3…第二電極(上部電極)、4…空隙(キャビティ)、5…絶縁膜、6…駆動領域、7…犠牲領域、19…エレメント 2 ... First electrode (lower electrode), 3 ... Second electrode (upper electrode), 4 ... Air gap (cavity), 5 ... Insulating film, 6 ... Drive region, 7 ... Sacrificial region, 19 ... Element

Claims (8)

第1の電極と、空隙を介して前記第1の電極と対向して配置された第2の電極と、を含むセルを少なくとも1つ有する静電容量型電気機械変換装置であって、
前記セルを含む駆動領域において短絡を起こす短絡電圧より低い電圧が印加されることで短絡を起こす様に構成された犠牲領域を含む絶縁部を備え、
前記第一電極と前記第二電極は、前記犠牲領域を含む絶縁部を挟んだ構成で、それぞれ電気的に接続されていることを特徴とする静電容量型電気機械変換装置。
A capacitive electromechanical transducer having at least one cell including a first electrode and a second electrode disposed to face the first electrode with a gap between the first electrode and the second electrode,
An insulating portion including a sacrificial region configured to cause a short circuit by applying a voltage lower than a short circuit voltage causing a short circuit in the drive region including the cell;
The capacitance-type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode are electrically connected to each other with an insulating part including the sacrificial region interposed therebetween.
前記犠牲領域で短絡が起きることで流れる過電流により前記駆動領域への電圧印加を停止する様に構成された停止手段を有することを特徴とする請求項1に記載の静電容量型電気機械変換装置。 2. The capacitive electromechanical conversion according to claim 1, further comprising a stop unit configured to stop voltage application to the drive region due to an overcurrent flowing when a short circuit occurs in the sacrificial region. 3. apparatus. 前記停止手段はヒューズであることを特徴とする請求項2に記載の静電容量型電気機械変換装置。 The capacitive electromechanical transducer according to claim 2, wherein the stopping means is a fuse. 1つ以上の前記犠牲領域が、1つ以上のセルからなるエレメント毎またはセル毎に設けられていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。 4. The capacitive electric machine according to claim 1, wherein the one or more sacrificial regions are provided for each element or each cell including one or more cells. 5. Conversion device. 複数の前記犠牲領域は、前記短絡を起こす電圧が異なる様に構成されていることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型電気機械変換装置。 The capacitive electromechanical transducer according to claim 4, wherein the plurality of sacrificial regions are configured to have different voltages that cause the short circuit. 前記駆動領域の第2の電極が絶縁膜上に設けられ、
前記駆動領域の前記絶縁膜の厚さが、前記犠牲領域の絶縁部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
A second electrode of the drive region is provided on the insulating film;
6. The capacitive electromechanical transducer according to claim 1, wherein a thickness of the insulating film in the driving region is smaller than a thickness of an insulating portion in the sacrificial region.
前記犠牲領域の周辺に、前記犠牲領域で短絡が起きるときに飛散する可能性のあるものが飛散するのを防止する為の防壁が設けられていることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。 7. A barrier is provided around the sacrificial region to prevent the possibility of scattering when a short circuit occurs in the sacrificial region. The electrostatic capacity type electromechanical transducer according to claim 1. 前記第一電極と前記第二電極が短絡することで流れる過電流を検知する為の検知手段と、
前記検知手段による過電流の検知に応答して前記第一電極と前記第二電極との間への電圧の印加を遮断する遮断手段と、を有することを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
Detecting means for detecting an overcurrent flowing when the first electrode and the second electrode are short-circuited;
8. A blocking unit that blocks application of voltage between the first electrode and the second electrode in response to detection of overcurrent by the detection unit. The electrostatic capacity type electromechanical transducer according to claim 1.
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