JPH0252599A - 超音波トランスデューサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ロボットや各種産業機器に装備し、比較的近
い距離にある対象物体との間の距離を測定したり、ある
いはフェーズドアレイ処理による対象物の超音波距離信
号の映像化によりその大きさや形状を認識したりするた
めの超音波トランスデユーサとその製造方法に関するも
のである。

（従来の技術） 近年、安価で高性能なマイクロコンピュータが普及し、
それらを用いることにより様々な産業分野で自動化ある
いはロボット化が進められつつある。しかし、現在実用
化されているロボットあるいは自動機器は、ある定まっ
た形、定まった大きさ、または定まった重さの物を持ち
上げたり運んだり、あるいは加工０組立等の作業を一定
のプログラムによってしか行うことができないのが現状
である。一方、消費者層の多様化により、多品種少置土
産の傾向が強くなり、ＦＭＳ（フレキシブルマニュファ
クチアリングシステム：　ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆ
ａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる自動化技
術の開発が叫ばれている。このような自動化の流れに於
ては、ロボットあるいは自動機械は、人間の感覚器官に
代わる様々なセンサを装備し、それらの情報をもとに迅
速ぞ的確な行動を行う必要がある。

ロボットがある対象物を持ち上げることを考えた場合、
まず視覚センサにより対象物を見つけ、次に近接覚セン
サにより対象物に近づき、最後に触覚センサの情報をも
とに対象物の硬さや握っている状態を知り、対象物を落
さずに持ち上げる。これらのセンサの中で近接覚センサ
は、視覚センサでは捕らえることのできない近距離の距
離情報を得るもので、超音波を利用したものが測距精度
から適していると考えられている。更に、煙等の充満し
た不可視環境において対象物を映像化するためには超音
波による近距離センサは必要不可欠なものである。従来
、この種の超音波トランスデユーサとしてＰＺＴ（チタ
ン酸ジルコン酸鉛）等の圧電体の共振を利用したものが
数多く市販されているが、周波数特性が狭くまた均一な
特性を必要とするアレイ化が困難であるという欠点があ
った。

また静電型超音波トランスデユーサとして例えば、特願
昭６０−２８９２９０号明細書あるいは１９８６年に開
催されたＩＥＥＥ　１９８６超音波シンポジウム予稿集
（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ）５５９頁から５６２頁、および１
９８７年に開催されたトランスデユーサ′８７予稿集（
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’８７　Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒｓ）４１４頁から４１７
頁で樋口、鈴木、谷用らの新しい提案がある。第４図に
その代表的な構造を示す。

図中１０１はシリコン基板、１０２はシリコン酸化膜、
１０３は下部電極、１０７はシリコンの、Ｈ方性エツチ
ング法により形成された気体溜用の穴である。１０４は
ＣＶＤシリコン酸化膜、１０６は上部電極１０５となる
アルミニウム膜が蒸着されたポリエステル膜である。そ
の動作原理は、所謂コンデンサスピーカおよびコンデン
サマイクロフォンと類似の原理である。すなわち、下部
電極１０３と上部電極１０５の間に約３０Ｖから１００
ｖの直流バイアスを与え、交流信号を加えるとポリエス
テル膜１０６が振動し、気体溜１０７に閉じ込められた
気体（ここでは空気とする）のバネ作用で空気中に超音
波が送波される。一方、超音波が外部から入ってきたと
きはその圧力変化でポリエステル膜１０６が振動し上部
電極１０５と下部電極１０３で形成される一対のコンデ
ンサの容量が変化しその変化を電気信号に変えることで
超音波信号の受信が可能になる。特に下部電極１０３を
アレイ電極とし各電極に位相の異なる交流信号を人力し
た場合は、各超音波素子から位相の異なる超音波が発信
され合成波はその位相により前方の任意の方向に向ける
ことができる。また任意の方向から、入った超音波信号
は、各電極からの電気信号を遅延合成することにより距
離画像として再生することができる。

（発明が解決しようとする課題） 以上、例を用いて従来の静電型超音波トランスデユーサ
の説明を行った。この型の超音波トランスデユーサは増
幅部や、信号処理部を同一シリコン基板上に形成でき、
かつシリコン表面上に精度よく形成された多数の穴の大
きさを変化させることにより周波数帯域を制御すること
ができるという優れた特徴を有し・ている。しかしなが
ら、センサの送受波感度は直流バイアス電圧に比例する
。

このため通常のＩＣやトランジスタの電源として用いる
数Ｖ〜十数Ｖに比べて高い電圧を有する直流バイアス電
源を必要とするという欠点があった。

本発明の目的は、静電型超音波トランスデユーサを駆動
するために直流バイアス電源を必要とせずトランスデユ
ーサそのものが自己バイアスを持つ新規な超音波トラン
スデユーサとその製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、半導体基板の表面上に穴を有において
、第１と第２の電極の間の絶縁体薄膜が工レフトレット
絶縁膜であることを特徴とする超音波トランスデユーサ
が得られる。

更に本発明によれば、半導体基板の表面上に穴せること
で電荷を注入し分極させる工程と、更にその上に導電体
薄膜よりなる第２の電極を形成する工程を含むことを特
徴とする超音波トランスデユーサの製造方法が得られる
。

（作用） 本発明による超音波トランスデユーサでは、下部電極と
上部電極との間の絶縁体薄膜に電荷を注入して分極させ
ることによりその表面電位を上昇させ、等価的に直流バ
イアスを与える効果、即ち自己バイアスを実現する。従
って直流バイアス電源が不要となる。エレクトレット絶
縁膜を作製する際問題となるのはそのエレクトレット絶
縁膜の寿命である。注入した電荷がすぐに移動してしま
うと永久電荷として残ることがなく電気的に中性の状態
になってしまう。電子ビーム照射あるいはコロナ放電に
よって作製したエレクトレット絶縁膜は寿命が長い。こ
の理由は明らかではないが、電荷注入時に絶縁膜表面が
損傷をうけ、エネルギー的に非常に深い準位が発生しそ
こに電子が捕捉されるので電子が移動しにくいためと推
測される。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。まず第
１図（ａ）に示すようにｐ型で（ｉｏｏ）面方位のシリ
コン基板１０１の表面に熱酸化膜１００を形成し空気溜
１０７用の穴となるべき部分の熱酸化膜を除去し、ヒド
ラジン液によりシリコンの異方性エツチングを行う。表
面の熱酸化膜１００を除去後、第１図（ｂ）に示すよう
に、新たに熱酸化膜１０２を形成し、アルミニウムなど
で下部電極１０３を形成する。更に、上部電極との層間
絶縁膜となるべきＣＶＤシリコン酸化膜１０４を堆積す
る。第１図（Ｃ）に本発明の構造を実現する上で最も重
要な製造工程を示す。第１図（ｂ）に示した試料を３０
０°Ｃで加熱しながらその表面に加速電圧約５ｋＶの電
子線を照射しＣＶＤシリコン酸化膜１０４に電子を注入
し、分極する。即ち、エレクトレットシリコン酸化膜を
形成する。振動容量型表面電位計でエレクトレット酸化
膜の表面電位を測定したところ約１０００Ｖであった。

その後、第１図（ｄ）に示すように裏面に上部電極１０
５となるアルミニウム層が蒸着されたポリエステル膜１
０６をエレクトレットシリコン酸化膜１０８上に張る。

このようにして得られた本発明の超音波トランスデユー
サ２００を第２図（ａ）に示す駆動回路により超音波の
送波の実験を行い送波感度の周波数依存性を測定した。

第２図（ｂ）は、従来の超音波トランスデユーサ２０４
の駆動時の駆動回路であり抵抗を介して直流バイアス２
０６を加えている。第３図中実線で示した結果が本発明
の超音波トランスデユーサ２００による周波数特性であ
り、破線は従来の超音波トランスデユーサ２０４を１０
０Ｖの直流バイアス下で駆動したときの周波数特性であ
る。本発明の超音波トランスデユーサの場合は、駆動時
に直流バイアス電源が不要になったのみならず感度もま
た向上していることがわかった。従って測距範囲が広く
なるという利点も生じる。送波感度として約１０ｄＢの
感度増が得られている。但し、ここでＯｄＢとして１μ
ｂａｒ／ＩＶを基準とした。感度が向上した理由はエレ
クトレット酸化膜の表面電位が前述のように約１０００
Ｖにもなっており等価的に１００ＯＶの直流バイアス電
源を用いたのと同様な効果が得られているためであると
推察される。エレクトレット酸化膜でな〈従来のように
直流バイアスを加えて同じ効果を得ようとすると電源が
きわめて大型化′してしまう。

またエレクトレット酸化膜の寿命は２０〜３０年あり実
際に用いる上で十分長い。

なお、本実施例においてエレクトレット絶縁膜としてＣ
ＶＤシリコン酸化膜を用いたがＣＶＤシリコン窒化膜を
用いても同様の効果が得られている。

更に、エレクトレット化する際電子ビームを用いて電荷
注入したが、コロナ放電中に試料を入れて電荷注入して
も良い。また本実施例では下部電極がアレイ電極となっ
ている場合について述べたが一つのつながった電極であ
ってもよいことは明らかである。

（発明の効果） 以上説明してきたように、本発明の構造による超音波ア
レイトランスデユーサは極めて簡単な工程で作成するこ
とが出来、従来の超音波トランスデユーサの駆動′ｌ寺
に必要とされた直流バイアス電源が不要になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図である。第１図（ａ）
から（ｄ）がその製造工程を示す断面図である。第２図
（ａ）は、このようにして得られた超音波トランスデユ
ーサの駆動回路の１例を示す図である。第２図（ｂ）は
、従来の超音波トランスデユーサの駆動回路の１例を示
す図である。第３図はその周波数特性結果を示す図であ
る。第４図は従来の静電容量型超音波トランスデユーサ
の素子断面図である。 図中 １０１：シリコン基板、１００．１０２：熱酸化膜、１
０３：下部電極、１０４：ＣｖＤシリコン酸化膜、１０
５：上部電極、１０６：ポリエステル膜、１０８：エレ
クトレットシリコン酸化膜である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の表面上に穴を有し、この基板上に絶
   縁体薄膜を介して一つの電極もしくはアレイ電極を有し
   、当該電極上に設けられた絶縁体薄膜上に導電体薄膜よ
   りなる第２の電極を形成した静電型超音波トランスデュ
   ーサにおいて、第１と第２の電極の間の絶縁体薄膜がエ
   レクトレット絶縁膜であることを特徴とする超音波トラ
   ンスデューサ。
2. （２）半導体基板の表面上に穴を形成する工程とその上
   に絶縁体薄膜を介して一つの電極もしくはアレイ電極を
   形成する工程と、当該電極上に絶縁体薄膜を形成し、こ
   の絶縁体薄膜に電子ビームを照射するかコロナ放電させ
   ることで電荷を注入し分極させる工程と、更にその上に
   導電体薄膜よりなる第２の電極を形成する工程を含むこ
   とを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。