WO2022220142A1 - 超音波トランスデューサー、距離測定装置および超音波トランスデューサーの製造方法 - Google Patents

超音波トランスデューサー、距離測定装置および超音波トランスデューサーの製造方法 Download PDF

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WO2022220142A1
WO2022220142A1 PCT/JP2022/016265 JP2022016265W WO2022220142A1 WO 2022220142 A1 WO2022220142 A1 WO 2022220142A1 JP 2022016265 W JP2022016265 W JP 2022016265W WO 2022220142 A1 WO2022220142 A1 WO 2022220142A1
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WO
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diaphragm
ultrasonic transducer
sound hole
sound
weight
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/016265
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English (en)
French (fr)
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伸顕 紺野
康治 田中
善明 平田
佳敬 梶山
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic transducer, a distance measuring device, and a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic transducer is a device for measuring distance using the reflection of ultrasonic waves.
  • An ultrasonic transducer obtains an output signal by measuring the time it takes for an ultrasonic wave to reflect off the surface of a detected object and return.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-170995 describes an ultrasonic sensor equipped with a MEMS-type ultrasonic transducer.
  • the driving amplitude is small due to the small structure of the ultrasonic transducer. If the driving amplitude is small, it is difficult to enhance the sound amplification effect because the sound pressure becomes small.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is to manufacture an ultrasonic transducer, a distance measuring device, and an ultrasonic transducer that can be miniaturized and can enhance the sound amplification effect. to provide a method.
  • the ultrasonic transducer of the present disclosure includes a diaphragm capable of generating sound waves and a cover portion connected to the diaphragm.
  • the diaphragm and the cover are integrally constructed by MEMS.
  • a gap and a sound hole communicating with the gap are provided in the cover portion.
  • the air gap and sound holes constitute a Helmholtz resonator.
  • the equivalent mass of the diaphragm is greater than that of the Helmholtz resonator.
  • the diaphragm and the cover part are integrally configured by MEMS. Therefore, the ultrasonic transducer can be miniaturized. Also, the equivalent mass of the diaphragm is larger than the equivalent mass of the Helmholtz resonator. Therefore, the sound amplification effect can be enhanced.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the configuration of the ultrasonic transducer of Embodiment 1 from the surface side;
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the configuration of the ultrasonic transducer of Embodiment 1 from the back side;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the first half process of the method for manufacturing the ultrasonic transducer of Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the second half of the method for manufacturing the ultrasonic transducer of Embodiment 1; 4 is a conceptual diagram of a two-degree-of-freedom spring-mass system showing the operation of the ultrasonic transducer of Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the mass ratio and the sound pressure ratio of the ultrasonic transducer of Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a schematic diagram of a distance measuring device according to Embodiment 4;
  • Embodiment 1 An ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
  • FIG. 1 An ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
  • the ultrasonic transducer 1 mainly includes a diaphragm 2 , a cover portion CP, and a weight 5 .
  • FIG. 1 is a perspective view showing the ultrasonic transducer 1 from the surface side.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the ultrasonic transducer 1 from the back side.
  • 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis are shown for convenience of explanation.
  • An XY plane extending in the X-axis direction and the Y-axis direction indicates in-plane.
  • the Z-axis direction indicates the direction in which sound waves travel. Note that the X-axis, Y-axis, and Z-axis are shown as appropriate in FIG. 4 and subsequent figures for the sake of explanation.
  • a cover part CP is arranged on the diaphragm 2 on the surface side of the ultrasonic transducer 1. As shown in FIGS. 1 to 3, in the present embodiment, a cover part CP is arranged on the diaphragm 2 on the surface side of the ultrasonic transducer 1. As shown in FIGS. 1 to 3, in the present embodiment, a cover part CP is arranged on the diaphragm 2 on the surface side of the ultrasonic transducer 1. As shown in FIGS.
  • the diaphragm 2 is configured to be able to generate sound waves.
  • the diaphragm 2 is made of silicon (Si), for example.
  • Diaphragm 2 has a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, for example.
  • a portion of the active layer 6 that is not fixed by the support layer 7 constitutes the diaphragm 2 .
  • the diaphragm 2 is, for example, circular. Diaphragm 2 may have an elliptical, rectangular, polygonal, or other shape.
  • the cover part CP is connected to the diaphragm 2 .
  • the diaphragm 2 and the cover portion CP are integrally constructed by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). In other words, it is manufactured by integral molding using the MEMS manufacturing technology.
  • a gap 3 and a sound hole 4 are provided in the cover portion CP. Sound hole 4 communicates with air gap 3 .
  • the void 3 is formed by digging the support layer 7 .
  • a gap 3 is formed between the diaphragm 2 and the substrate 15 .
  • Air gap 3 is surrounded by diaphragm 2 , support layer 7 and substrate 15 .
  • the void 3 has a depth of 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the substrate 15 is made of silicon or glass, for example.
  • the substrate 15 has a thickness of, for example, 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • a sound hole 4 is a hole formed in the substrate 15 .
  • the tone hole 4 is drawn circular in FIG. 1, it may be oval, square, polygonal, or other shape.
  • the air gap 3 and the sound hole 4 constitute a Helmholtz resonator.
  • the equivalent mass of diaphragm 2 is greater than that of the Helmholtz resonator.
  • ⁇ is the driving frequency.
  • ⁇ is the frequency of the signal applied to vibrate the diaphragm 2, that is, the driving frequency.
  • ⁇ 11 is the diaphragm resonance frequency.
  • ⁇ 11 is a mechanical resonance frequency inherent to the diaphragm 2 .
  • ⁇ 22 is the Helmholtz resonance frequency.
  • ⁇ 22 is the acoustic resonance frequency in the space formed by the air gap 3 and the sound hole 4, that is, the Helmholtz resonance frequency.
  • ⁇ 1 is the damping ratio of the diaphragm.
  • ⁇ 1 is the damping ratio of the mechanical vibration of the diaphragm 2 .
  • ⁇ 2 is the Helmholtz damping ratio.
  • ⁇ 2 is the acoustic vibration damping ratio of the space formed by the air gap 3 and the sound hole 4 .
  • a is the mass ratio.
  • a is a mass ratio indicating the ratio of the equivalent mass of the diaphragm 2 to the equivalent mass of the Helmholtz resonator, using the equivalent mass of the diaphragm 2 as the denominator.
  • b is the area ratio.
  • b is the ratio of the area of the vibration surface of the diaphragm 2 to the opening area of the sound hole 4 of the Helmholtz resonator (cross-sectional area in the XY plane), and the area indicated by the opening area of the sound hole 4 of the Helmholtz resonator as the denominator; ratio.
  • Equation (1) when the resonance frequencies of the diaphragm 2 and the Helmholtz resonator match and the damping ratios match, the following Equation (2) is satisfied.
  • the cover part CP includes a first insulating film 8, a support layer 7, and a substrate 15.
  • a first insulating film 8 is arranged on the active layer 6 .
  • the support layer 7 is arranged on the first insulating film 8 .
  • a substrate 15 is arranged on the support layer 7 .
  • a second insulating film 9, a lower electrode 10, a piezoelectric film 11, an upper electrode 12, a third insulating film 13, and a wiring electrode 14 are provided on the diaphragm 2 on the back side of the ultrasonic transducer 1. are placed. Furthermore, a weight 5 is arranged on the third insulating film 13 .
  • the second insulating film 9 is, for example, a silicon nitride film (SiN), a silicon dioxide film (SiO 2 ), or a mixed film of a silicon nitride film and a silicon dioxide film (SiON).
  • the second insulating film 9 has a thickness of, for example, 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the lower electrode 10 is made of metal such as platinum (Pt), silver alloy, or nickel alloy.
  • the lower electrode 10 has a thickness of, for example, 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • a base electrode made of titanium (Ti) or the like is formed in order to improve adhesion.
  • the piezoelectric film 11 is made of, for example, lead zirconate titanate (PZT), barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), or zinc oxide (ZnO).
  • the piezoelectric film 11 has a thickness of, for example, 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • an oxide electrode material such as an SRO (SrRuO 3 ) film may be formed in order to improve characteristics such as crystallinity.
  • the upper electrode 12 is made of metal such as platinum, silver alloy, or nickel alloy.
  • the upper electrode 12 has a thickness of 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less, for example.
  • a base electrode made of titanium or the like is formed in order to improve adhesion.
  • the third insulating film 13 is, for example, a silicon nitride film, a silicon dioxide film, or a mixed film of a silicon nitride film and a silicon dioxide film.
  • the third insulating film 13 has a thickness of, for example, 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the wiring electrode 14 is made of, for example, conductive polysilicon (polycrystalline silicon), or a metal such as aluminum (Al), gold (Au), or platinum.
  • the wiring electrode 14 has a thickness of, for example, 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the weight 5 is connected to the diaphragm 2.
  • the weight 5 is made of silicon or glass, for example.
  • the weight 5 has a thickness of 1000 ⁇ m or less, for example.
  • the weight 5 is depicted as having a columnar structure, but the weight 5 may have a rectangular parallelepiped, conical, polygonal or other shape. Further, as long as the weight 5 is connected to the diaphragm 2, there is no restriction on the place of arrangement, the number of the weights, and the like. As will be described later, when the conditions are satisfied, the weight 5 may not be formed.
  • the piezoelectric film 11 is sandwiched between the lower electrode 10 and the upper electrode 12 .
  • the piezoelectric film 11 is configured such that a voltage can be applied to the front and back surfaces of the piezoelectric film 11 .
  • the lower electrode 10 and the upper electrode 12 are connected to separate wiring electrodes 14, respectively. Each wiring electrode 14 is spaced apart from each other. Each wiring electrode 14 is configured to apply a different voltage to each of the lower electrode 10 and the upper electrode 12 .
  • the piezoelectric film 11 and the like are provided on the lower surface side of the diaphragm 2 in FIG. 3, they may be provided on the upper surface side. In that case, the film formation conditions are the same, but a through wiring or the like is required to pull out the wiring to the outside.
  • the piezoelectric film 11 and the like are arranged to avoid the portion where the weight 5 is arranged, but they may be arranged below the weight 5 . In this case, if the surface roughness is large, bonding failure will occur, so polishing or the like is required before bonding.
  • the ultrasonic transducer 1 is configured to be driven and received by piezoelectricity. That is, the ultrasonic transducer 1 is configured to generate and receive sound waves by piezoelectricity. In this embodiment, the ultrasonic transducer 1 is of piezoelectric type, but may be of electromagnetic type or electrostatic type.
  • the diaphragm 2 and the Helmholtz resonator are composed of SOI (Silicon On Insulator) substrates.
  • FIG. 4 a method for manufacturing the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 a method for manufacturing the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIGS. 4(a) to (d) are schematic cross-sectional views showing the first half of the manufacturing method of the ultrasonic transducer 1 according to the first embodiment.
  • a substrate S is prepared.
  • a substrate S including a support layer 7, a first insulating film 8, an active layer 6, and a second insulating film 9 is prepared.
  • the supporting layer 7, the first insulating film 8, the active layer 6, and the second insulating film 9 are laminated in this order.
  • a substrate obtained by thermally oxidizing an SOI substrate is suitable.
  • a lower electrode 10, a piezoelectric film 11 and an upper electrode 12 are deposited on the second insulating film 9 in this order.
  • the lower electrode 10 and the upper electrode 12 are formed using, for example, a sputtering method.
  • the lower electrode 10 and the upper electrode 12 may be formed by a vapor deposition method or the like.
  • the piezoelectric film 11 is formed using, for example, a sputtering method.
  • the piezoelectric film 11 may be formed by a sol-gel method or the like.
  • upper electrode 12, piezoelectric film 11 and lower electrode 10 are patterned.
  • the upper electrode 12 and the lower electrode 10 are preferably formed by, for example, RIE (Reactive Ion Etching).
  • the upper electrode 12 and the lower electrode 10 may be formed by wet etching using an etchant. Whatever etch is used, it is necessary to use a solution that does not easily etch the underlying film.
  • RIE reactive Ion Etching
  • the upper electrode 12 and the lower electrode 10 are formed by RIE, it is preferable to use a Cl 2 /Ar-based gas or the like.
  • the piezoelectric film 11 is preferably formed by RIE, for example. It is preferable to use a gas that does not easily etch the underlying film, and it is preferable to use a Cl 2 /BCl 3 /CH 4 -based gas.
  • a resist for the etching protection film. After etching, the resist is removed.
  • a suitable removal method is O2 ashing.
  • the resist may be removed using a stripper.
  • third insulating film 13 and wiring electrode 14 are deposited and patterned. Since the third insulating film 13 is formed of a metal material or a piezoelectric material, it is preferably formed at a low temperature. For example, a TEOS (tetraethyl orthosilicate) oxide film, which can be formed at a low temperature, is suitable.
  • the upper electrode 12 is formed of Ti/Pt, the adhesion between Pt and the TEOS oxide film may be poor, depending on internal stress or film quality. In this case, in order to improve adhesion, it is preferable that Ti is formed on Pt and the upper electrode 12 is formed of Ti/Pt/Ti. Patterning is preferably done by RIE.
  • a resist is preferably used as the etching protection film.
  • the third insulating film 13 may be formed by wet etching using an etchant liquid as described above. Whatever etch is used, it is necessary to use gases and solutions that do not easily etch the underlying film. When the third insulating film 13 is formed by RIE, it is preferable to use a CF4 - based gas. After etching, the resist is removed. A suitable removal method is O2 ashing. The resist may be removed using a stripper.
  • the wiring electrode 14 is preferably formed and patterned in the same process as the lower electrode 10 and the upper electrode 12 . By patterning the third insulating film 13, the wiring electrode 14 is connected to the lower electrode 10 and the upper electrode 12, respectively.
  • FIG. 5(a) to 5(c) are schematic cross-sectional views showing the latter half of the method for manufacturing the ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. Diaphragm 2 and cover portion CP are integrally formed from substrate S by MEMS manufacturing technology, and gap 3 and sound hole 4 communicating with gap 3 are formed in cover portion CP.
  • the weight 5 is formed. If the weight 5 is formed of polysilicon, it may be deposited using, for example, a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method and a reactive ion etching method such as, for example, an inductively coupled plasma-reactive ion etching (ICP-RIE) method. It is etched using an ion etching (RIE) method. In another method, the support layer of another SOI substrate is fabricated in the shape of the weight 5 by ICP-RIE, and after the two substrates are bonded, for example, by room temperature bonding or plasma surface activated bonding, the active layer is formed. may be removed by the ICP-RIE method.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • RIE ion etching
  • the support layer 7 is etched. Thereby, the void 3 is formed. Etching of the support layer 7 is preferably performed using, for example, the ICP-RIE method.
  • a sound hole 4 is formed with reference to FIG. 5(c). After the sound holes 4 are formed in the substrate 15 , the substrate 15 is bonded to the support layer 7 . In this step, the sound holes 4 may be formed after the substrate 15 is bonded to the support layer 7 .
  • the sound hole 4 is preferably formed by etching using the RIE method such as the ICP-RIE method.
  • the sound hole 4 is preferably formed by hydrofluoric acid-based wet etching, sandblasting, or the like.
  • room temperature bonding or plasma surface activation bonding is suitable.
  • Anodic bonding is suitable for bonding the substrate 15 and the support layer 7 when the substrate 15 is made of glass.
  • Supporting layer 7 and substrate 15 may be formed of an SOI substrate and bonded to vibration plate 2 other than the manufacturing method of the present embodiment. By implementing this manufacturing method, it becomes possible to form the piezoelectric film 11 on the upper side of the diaphragm 2 .
  • FIG. 1 the operation of the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 the operation of the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • a voltage is applied to the lower electrode 10 and the upper electrode 12 .
  • the electrode on one side is GND (ground) or a fixed voltage
  • the electrode on the other side is applied with a sine wave or a fixed voltage plus a sine wave.
  • a potential difference between the lower electrode 10 and the upper electrode 12 causes the piezoelectric film 11 to deform in the XY plane direction. Due to the deformation, the diaphragm 2 vibrates in the Z direction. A sound wave is generated by the vibration of the diaphragm 2 . The sound wave travels through the sound hole 4 .
  • the sound waves generated by the diaphragm 2 are amplified and transmitted by the acoustic amplification structure formed by the air gaps 3 and the sound holes 4 .
  • the sound wave input to the sound hole 4 is amplified by the sound amplification structure formed by the air gap 3 and the sound hole 4 and received by the diaphragm 2 .
  • the sound amplification structure composed of the air gap 3 and the sound hole 4 is a structure called a Helmholtz resonator.
  • the Helmholtz resonator is a resonator in which the air in the cavity 3 is the spring and the air in the sound hole 4 is the mass.
  • the diaphragm 2 portion Apart from the Helmholtz resonator portion, the diaphragm 2 portion also has a spring-mass system resonance structure. Therefore, the ultrasonic transducer 1 of this embodiment is a two-degree-of-freedom spring-mass system.
  • FIG. 6 is an equivalent model showing the vibrational motion of the ultrasonic transducer 1, which has an acoustic amplification structure, in a two-degree-of-freedom spring-mass system.
  • the two-degree-of-freedom spring-mass system is constructed by connecting two systems, a spring-mass system including the diaphragm 2 and a spring-mass system including the air in the sound hole 4 .
  • a spring-mass system including the diaphragm 2 is modeled to consist of a diaphragm mass 101 , a diaphragm spring 102 and a diaphragm damper 103 .
  • Each has an equivalent mass M 1 , an equivalent spring coefficient K 1 and an equivalent damping coefficient C 1 .
  • a diaphragm mass body 101 is a model mass body corresponding to a mass body including the diaphragm 2 and the weight 5 .
  • the diaphragm spring 102 is a model spring corresponding to elastic deformation of the diaphragm 2 .
  • the diaphragm damper 103 is a model damper corresponding to friction and air resistance when the diaphragm 2 deforms.
  • a spring-mass system including air in the sound hole 4 that forms a Helmholtz resonator is modeled from a resonator mass 201 , a resonator spring 202 and a resonator damper 203 .
  • the resonator mass 201 and the resonator damper 203 respectively have an equivalent mass M 2 and an equivalent damping coefficient C 2 .
  • the resonator mass 201 is a model mass corresponding to the air that vibrates and displaces inside the sound hole 4 .
  • the resonator spring 202 is a model spring corresponding to the air in the air gap 3 that repeats elastic compression and expansion.
  • the resonator spring 202 (the air in the air gap 3) connects the diaphragm mass 101 (the diaphragm 2 and the weight 5) and the resonator mass 201 (the air in the sound hole 4).
  • the resonator damper 203 is a model damper that mainly corresponds to friction and heat diffusion when air moves inside the narrow tube of the sound hole 4 . In this model, the resonator damper 203 is connected to GND (ground). This is because the influence of the diaphragm 2 on damping the vibration of the air in the sound holes 4 is sufficiently low.
  • ⁇ be the density of air
  • S2 be the opening area of the sound hole 4 (cross-sectional area in the XY plane)
  • L be the length of the sound hole 4 in the Z direction. 2 L.
  • a correction coefficient is added to L as an aperture correction based on the shape of the aperture. Therefore, L becomes the effective length L'. Therefore, the equivalent mass M2 is represented by the following equation (3).
  • ⁇ V is the volume change of the air in the void 3. Since the change in volume of the air in the gap 3 is equal to the change in volume due to the displacement of the air in the sound hole 4 and the diaphragm 2, equation (4A) is transformed into equation (4B).
  • x 1 and x 2 are the average displacement of the diaphragm 2 in the vibration plane and the average displacement of the air in the sound hole 4, respectively, which are equal to the displacements of the diaphragm mass 101 and the resonator mass 201 in the model.
  • the average displacement in the vibration plane is the displacement at which the volume change occurring in the gap 3 is equal to ⁇ V, assuming that the entire vibration plane is uniformly displaced. That is, the volume change of the gap 3 due to the diaphragm 2 is -S 1 x 1 , the volume change of the gap 3 due to the air in the sound hole 4 is S 2 x 2 , and the sum of the two is equal to ⁇ V.
  • the diaphragm 2 has a structure in which the peripheral portion is fixed and the central portion vibrates greatly, the entire vibrating surface is not uniformly displaced.
  • the displacement is assumed to be uniform, and modeling is performed using an average displacement that makes the volume change of the void 3 equal to ⁇ V.
  • each value is the following formula (6).
  • the amplitude X2 of the displacement of the resonator mass 201 is given by equation (7A). Note that the displacement x2 is a complex number representing frequency vibration including phase, and the amplitude x2 is its magnitude.
  • Equation (7C) Since the magnitude (sound pressure) of the radiated sound wave is proportional to the volume velocity, the ratio of the sound pressure radiated from the sound hole 4 to the sound pressure radiated only from the diaphragm 2 without the Herzholm resonator ( The sound pressure ratio) is expressed by the ratio of the values obtained by multiplying the respective areas of the equations (7A) and (7B). That is, the sound pressure ratio is given by Equation (7C).
  • the radiated sound pressure can be amplified by the action of the Helmholtz resonator.
  • Equation (7C) Equation (8) below.
  • the sound pressure ratio is saturated when the mass ratio becomes small, but the saturation value is 50 (1/2 ⁇ ), which is the Q value.
  • the amplitude X1 of the displacement of diaphragm mass 101 is represented by equation (10A).
  • the displacement x1 is a complex number representing frequency vibration including phase
  • the amplitude x1 is its magnitude.
  • the amplitude ratio (amplitude ratio) between the displacement of the diaphragm 2 generated via the Helmholtz resonator (air gap 3, sound hole 4) and the displacement generated in the diaphragm 2 without the Helmholm resonator is given by the formula (10A ) and formula (10B). That is, the amplitude ratio is given by equation (10C).
  • the amplitude ratio in equation (11) is also the same as the sound pressure ratio in equation (8). Therefore, the ratio of the amplitude generated in the diaphragm 2 through the Herzholm resonator (sound hole 4, gap 3) to the amplitude generated in the diaphragm 2 without the Herzholm resonator is exactly the same as the sound pressure ratio in reception. In the case of reception, similarly to the case of transmission, an amplification effect can be obtained by reducing the mass ratio a.
  • the equivalent mass on the side of the diaphragm 2 includes the weight 5, and if the condition is satisfied only by the equivalent mass of the diaphragm 2 without including the weight 5, the weight 5 does not need to be formed.
  • the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 the diaphragm 2 and the cover part CP are integrally constructed by MEMS. Therefore, for example, the ultrasonic transducer 1 can be made smaller than the bulk piezoelectric type.
  • the air gap 3 and the sound hole 4 constitute a Helmholtz resonator.
  • a Helmholtz resonator is an acoustic amplifying structure.
  • the equivalent mass of the diaphragm 2 is greater than that of the Helmholtz resonator. Therefore, the sound amplification effect can be enhanced. That is, the sound wave generated from the diaphragm 2 and the sound wave input to the sound hole 4 can be amplified. Therefore, it becomes possible to transmit sound waves farther, and to receive sound waves incident from farther away. Thereby, the distance measurement range of the ultrasonic transducer 1 can be increased.
  • the above formula (1) is satisfied. Therefore, it is possible to amplify the sound pressure.
  • the weight 5 is connected to the diaphragm 2 . Therefore, the weight 5 can increase the amplitude of the diaphragm 2 . Therefore, the sound pressure amplification effect can be increased.
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment when the resonance frequencies of the diaphragm 2 and the Helmholtz resonator match in the equation (1) and the damping ratios match, the above equation (2) is satisfied. This makes it possible to amplify the sound pressure. Moreover, structural design becomes easy.
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment is configured to be driven and received by piezoelectricity. Therefore, piezoelectricity enables low-voltage driving and high reception sensitivity.
  • the diaphragm 2 and the Helmholtz resonator are composed of SOI substrates. Therefore, the vibration plate 2 and the Helmholtz resonator can be easily manufactured by using an SOI substrate.
  • the diaphragm 2 and the cover portion CP are manufactured by integral molding using MEMS manufacturing technology. Therefore, for example, the ultrasonic transducer 1 can be made smaller than the bulk piezoelectric type. In addition, since the positions of the diaphragm 2 and the sound hole 4 can be determined with high precision by integral molding, sound waves can be efficiently output.
  • the air gap 3 and the sound hole 4 constitute a Helmholtz resonator.
  • a Helmholtz resonator is an acoustic amplifying structure.
  • the equivalent mass of the diaphragm 2 is larger than that of the Helmholtz resonator. Therefore, the sound amplification effect can be enhanced. That is, the sound wave generated from the diaphragm 2 and the sound wave input to the sound hole 4 can be amplified. Therefore, it becomes possible to transmit sound waves farther, and to receive sound waves incident from farther away. Thereby, the distance measurement range of the ultrasonic transducer 1 can be increased.
  • Embodiment 2 An ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 2 will be described with reference to FIG.
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment has the same configuration as the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1, but differs from the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 mainly in the following points. there is
  • the ultrasonic transducer 1 further comprises a lid 19.
  • the lid 19 is provided with an internal space 20 capable of accommodating the weight 5 .
  • the second embodiment differs from the first embodiment in the shape of the weight 5 .
  • the shape of this weight 5 is a shape for facilitating the explanation of the advantages of the present embodiment, and may be the shape of the first embodiment.
  • the lid 19 is preferably formed by digging a silicon substrate, an SOI substrate, or the like to form an internal space 20 to accommodate the weight 5 .
  • the lid 19 is preferably bonded by room temperature bonding, plasma surface activation bonding, or the like. When a glass substrate is used for the lid 19, it is preferable to bond it by anodic bonding.
  • the lid 19 is bonded under vacuum or low pressure during bonding. Thereby, the internal space 20 becomes a vacuum or a low pressure.
  • the internal space 20 is under vacuum or low pressure when the weight 5 is accommodated in the internal space 20 .
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment has the following effects in addition to the effects of the ultrasonic transducer 1 of the first embodiment.
  • the internal space 20 provided in the lid 19 has a vacuum or a low pressure when the weight 5 is accommodated therein. Therefore, by reducing the influence of the vibration of the weight 5 on the sound wave, the sound wave can be efficiently output.
  • the diaphragm 2 vibrates. In this case, as shown in FIG. 8, if the weight 5 has an umbrella shape or if the weight 5 has unevenness, turbulence occurs in the air. Even if the weight 5 does not have unevenness, it is practically difficult to vibrate completely up and down, and it may vibrate sideways, causing turbulence in the air. Due to the turbulence of the air, the vibration of the diaphragm 2 may be disturbed. Therefore, the air turbulence can be reduced by enclosing the weight 5 with the lid 19 and making the internal space 20 a vacuum or a low pressure. This configuration allows the diaphragm 2 to vibrate without disturbance.
  • Embodiment 3 An ultrasonic transducer 1 according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG.
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment has the same configuration as the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1, but differs from the ultrasonic transducer 1 of Embodiment 1 mainly in the following points. there is
  • the weight 5 is arranged on the sound hole 4 side with respect to the diaphragm 2 .
  • a weight 5 is arranged in the air gap 3 .
  • the weight 5 is arranged on the first insulating film 8 .
  • the weight 5 is formed similarly when forming the support layer 7 .
  • the weight 5 is made of the same material as the support layer 7 .
  • the ultrasonic transducer 1 of the present embodiment has the following effects in addition to the effects of the ultrasonic transducer 1 of the first embodiment.
  • the weight 5 is arranged on the sound hole 4 side with respect to the diaphragm 2 . Since the weight 5 is not on the piezoelectric film 11 side, the lower electrode 10, the piezoelectric film 11, and the upper electrode 12 can be deposited over a larger area than when the weight 5 is on the piezoelectric film 11 side. Therefore, it is possible to increase the driving force for driving the diaphragm 2 . Therefore, it is possible to vibrate the diaphragm 2 more efficiently. Further, since the weight 5 is bonded to the position of the piezoelectric film 11, the piezoelectric film 11 does not need to be polished.
  • Embodiment 4 A distance measuring device 100 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the distance measurement device 100 is, for example, an ultrasonic distance measurement system used for automatic braking of vehicles.
  • the distance measuring device 100 includes an ultrasonic transducer 1 , a printed circuit board 51 , and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 52 .
  • the distance measuring device 100 may include a directivity adjusting horn 53 , a waterproof and dustproof film 54 and a resin 55 .
  • the ultrasonic transducer 1 and the ASIC 52 are arranged on the printed circuit board 51 .
  • the ultrasonic transducer 1 and the ASIC 52 are electrically connected by wire bonding or the like.
  • the directivity adjusting horn 53 is configured in a shape that adjusts the directivity of sound waves.
  • the waterproof and dustproof film 54 is a film for preventing water and dust from entering the ultrasonic transducer 1 .
  • the waterproof and dustproof film 54 is preferably a thin film so that sound waves can easily pass through it.
  • the waterproof and dustproof film 54 may be formed by arranging metal or the like on which a hydrophobic film is formed in a mesh shape.
  • the ultrasonic transducer 1 can be easily handled by being hardened with resin 55 or the like.
  • a thermosetting resin or the like is suitable for the resin 55 .
  • the operation of the ultrasonic transducer 1 is the same as in the first embodiment.
  • a sound wave is generated from the ultrasonic transducer 1 by an input signal from the ASIC 52 .
  • the sound wave travels with directivity by the directivity adjusting horn 53, passes through the waterproof and dustproof film 54, and is transmitted to the target.
  • a sound wave reflected from a target returns to the ultrasonic transducer 1 through a route opposite to that of transmission.
  • the ultrasonic transducer 1 receives this returning sound wave.
  • TOF Time Of Flight
  • the ultrasonic transducer 1 since the ultrasonic transducer 1 is provided, distance can be measured.

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Abstract

超音波トランスデューサー（１）は、音波を発生可能な振動板（２）と、振動板（２）に接続されたカバー部（ＣＰ）とを備えている。振動板（２）とカバー部（ＣＰ）とはＭＥＭＳにより一体的に構成されている。カバー部（ＣＰ）には空隙（３）と、空隙（３）に連通する音孔（４）とが設けられている。空隙（３）と音孔（４）とはヘルムホルツ共鳴器を構成している。振動板（２）の等価質量が、ヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きい。

Description

超音波トランスデューサー、距離測定装置および超音波トランスデューサーの製造方法
　本開示は、超音波トランスデューサー、距離測定装置および超音波トランスデューサーの製造方法に関するものである。
　超音波トランスデューサーは、超音波の反射を利用して距離を測定するためのデバイスである。超音波トランスデューサーは、超音波が検出物体の表面で反射して戻ってくるまでの時間を測定することにより出力信号を得る。超音波トランスデューサーの小型化のために、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）型の超音波トランスデューサーの開発が活発化している。
　例えば、特開２０２０－１７０９９５号公報（特許文献１）には、ＭＥＭＳ型の超音波トランスデューサーを備えた超音波センサが記載されている。
特開２０２０－１７０９９５号公報
　上記公報に記載されたＭＥＭＳ型の超音波トランスデューサーでは、超音波トランスデューサーの構造の小ささから、駆動振幅が小さくなる。駆動振幅が小さいと音圧が小さくなる音響増幅効果を高めることが困難である。
　本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化することができ、かつ音響増幅効果を高めることができる超音波トランスデューサー、距離測定装置および超音波トランスデューサーの製造方法を提供することである。
　本開示の超音波トランスデューサーは、音波を発生可能な振動板と、振動板に接続されたカバー部とを備えている。振動板とカバー部とはＭＥＭＳにより一体的に構成されている。カバー部には空隙と、空隙に連通する音孔とが設けられている。空隙と音孔とはヘルムホルツ共鳴器を構成している。振動板の等価質量が、ヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きい。
　本開示の超音波トランスデューサーによれば、振動板とカバー部とはＭＥＭＳにより一体的に構成されている。このため、超音波トランスデューサーを小型化することができる。また、振動板の等価質量が、ヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きい。このため、音響増幅効果を高めることができる。
実施の形態１の超音波トランスデューサーの構成を表面側から示す概略斜視図である。 実施の形態１の超音波トランスデューサーの構成を裏面側から示す概略斜視図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 実施の形態１の超音波トランスデューサーの製造方法の前半工程を示す概略断面図である。 実施の形態１の超音波トランスデューサーの製造方法の後半工程を示す概略断面図である。 実施の形態１の超音波トランスデューサーの動作を示す２自由度バネ－マス系の概念図である。 実施の形態１の超音波トランスデューサーの質量比と音圧比との関係を示すグラフである。 実施の形態２の超音波トランスデューサーの構成を示す概略断面図である。 実施の形態３の超音波トランスデューサーの構成を示す概略断面図である。 実施の形態４の距離測定装置の概略図である。
　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
　実施の形態１．
　図１～図７を参照して、実施の形態１の超音波トランスデューサー１を説明する。
　図１～図３を参照して、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の構成を説明する。超音波トランスデューサー１は、振動板２と、カバー部ＣＰと、おもり５とを主に備えている。
　図１は、超音波トランスデューサー１を表面側から示す斜視図である。図２は、超音波トランスデューサー１を裏面側から示す斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。
　図１～図３では、説明の便宜のため、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示されている。Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延在するＸ－Ｙ平面は面内を示している。Ｚ軸方向は、音波が進行する方向を示している。なお、図４以下にも説明のため、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が適宜示されている。
　図１～図３に示されるように、本実施の形態では、超音波トランスデューサー１の表面側において、振動板２上に、カバー部ＣＰが配置されている。
　振動板２は、音波を発生可能に構成されている。振動板２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。振動板２は、例えば、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚さを有する。活性層６において支持層７で固定されていない部分が振動板２を構成している。振動板２は、例えば、円形に構成されている。振動板２は、楕円形、四角形、多角形などの形状でも良い。
　カバー部ＣＰは、振動板２に接続されている。振動板２とカバー部ＣＰとはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）により一体的に構成されている。つまり、ＭＥＭＳ製造技術により一体成形で作製されている。カバー部ＣＰには、空隙３と、音孔４とが設けられている。音孔４は、空隙３に連通する。
　空隙３は、支持層７を掘り込んで形成されている。空隙３は、振動板２と基板１５の間に形成されている。空隙３は、振動板２と、支持層７と、基板１５とに囲まれている。例えば、空隙３は、１μｍ以上１０００μｍ以下の深さを有する。
　基板１５は、例えば、シリコンやガラスで形成されている。基板１５は、例えば、１μｍ以上１０００μｍ以下の厚さを有する。
　音孔４は、基板１５に形成された穴である。音孔４は、図１では、円形で描かれているが、楕円形、四角形、多角形などの形状でも良い。
　空隙３と音孔４とはヘルムホルツ共鳴器を構成している。振動板２の等価質量がヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きい。
　次の式（１）が満たされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（１）において、ωは駆動周波数である。ωは振動板２を振動させる為に印加される信号の周波数、即ち駆動周波数である。ω１１は振動板共振周波数である。ω１１は振動板２が固有に持つ機械的な共振周波数である。ω２２はヘルムホルツ共振周波数である。ω２２は空隙３と音孔４で構成される空間における音響的な共振周波数、即ちヘルムホルツ共振周波数である。ζ１は振動板の減衰比である。ζ１は振動板２の機械的振動の減衰比である。ζ２はヘルムホルツ減衰比である。ζ２は空隙３と音孔４で構成される空間の音響的な振動の減衰比である。ａは質量比である。ａは振動板２の等価質量とヘルムホルツ共鳴器の等価質量の比を、振動板２の等価質量を分母として示した質量比である。ｂは面積比である。ｂは振動板２の振動面の面積とヘルムホルツ共鳴器の音孔４の開口面積（Ｘ－Ｙ平面の断面積）の比を、ヘルムホルツ共鳴器の音孔４の開口面積を分母として示した面積比である。
　式（１）において、振動板２とヘルムホルツ共鳴器との共振周波数が一致し、かつ各減衰比が一致した場合、次の式（２）が満たされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　カバー部ＣＰは、第１絶縁膜８、支持層７、基板１５を含んでいる。第１絶縁膜８は、活性層６上に配置されている。支持層７は、第１絶縁膜８上に配置されている。基板１５は、支持層７上に配置されている。
　超音波トランスデューサー１の裏面側において、振動板２上には、第２絶縁膜９と、下部電極１０と、圧電膜１１と、上部電極１２と、第３絶縁膜１３と、配線電極１４とが配置されている。さらに、第３絶縁膜１３上におもり５が配置されている。
　第２絶縁膜９は、例えば、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、または、窒化シリコン膜と二酸化シリコン膜との混合膜（ＳｉＯＮ）である。第２絶縁膜９は、例えば、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。
　下部電極１０は、例えば、白金（Ｐｔ）、銀合金、または、ニッケル合金のような金属で形成されている。下部電極１０は、例えば、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。また、図示されていないが、密着性を良くするため、チタン（Ｔｉ）などの下地電極が形成されている。
　圧電膜１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、または、酸化亜鉛（ＺｎＯ）で形成されている。圧電膜１１は、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する。また、図示されていないが、結晶性などの特性を向上するため、ＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ３）膜などの酸化物電極材料が形成されても良い。
　上部電極１２は、例えば、白金、銀合金、または、ニッケル合金のような金属で形成されている。上部電極１２は、例えば、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。また、図示されていないが、密着性を良くするため、チタンなどの下地電極が形成されている。
　第３絶縁膜１３は、例えば、窒化シリコン膜、二酸化シリコン膜、または、窒化シリコン膜と二酸化シリコン膜との混合膜である。第３絶縁膜１３は、例えば、０．０１μｍ以上１．０μｍ以下の厚さを有する。
　配線電極１４は、例えば、導電性ポリシリコン（多結晶シリコン）、または、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、もしくは、白金のような金属で形成されている。配線電極１４は、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する。
　おもり５は、振動板２に接続されている。おもり５は、例えば、シリコン、または、ガラスで形成されている。おもり５は、例えば、１０００μｍ以下の厚さを有する。図１および図２では、おもり５は円柱構造で描いているが、おもり５は直方体、円錐、多角形などの形状でも良い。また、おもり５は振動板２に接続されていれば、配置場所、個数などにも制限はない。後述するが、条件を満たした場合は、おもり５は形成しなくても良い。
　圧電膜１１は、下部電極１０と上部電極１２に挟まれている。圧電膜１１は、圧電膜１１の表裏面に電圧が印加され得るように構成されている。下部電極１０と上部電極１２はそれぞれ別の配線電極１４に接続されている。各配線電極１４は、互いに離間されている。各配線電極１４は、下部電極１０と上部電極１２との各々に異なる電圧を印加可能に構成されている。
　図３では、圧電膜１１などは、振動板２の下面側に設けられているが、上面側に設けられても良い。その場合、膜の形成条件は同様であるが、配線を外に引き出すため貫通配線などが必要となる。
　また、圧電膜１１などは、おもり５が配置された部分を避けて配置されているが、おもり５の下部に配置されても良い。この場合、面荒れが大きいと接合不良となるので、接合前に研磨などが必要となる。
　超音波トランスデューサー１は、圧電により駆動および受信するように構成されている。つまり、超音波トランスデューサー１は、圧電により、音波を発生させ、かつ音波を受信するように構成されている。本実施の形態では、超音波トランスデューサー１は、圧電方式であるが、電磁方式または静電方式でも可能である。
　振動板２とヘルムホルツ共鳴器とはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板により構成されている。
　次に、図４および図５を参照して、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の製造方法を説明する。
　図４（ａ）～（ｄ）は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサー１の製造方法の前半工程を示す概略断面図である。まず、基板Ｓが準備される。
　図４（ａ）を参照して、支持層７、第１絶縁膜８、活性層６、第２絶縁膜９を備えた基板Ｓが準備される。支持層７、第１絶縁膜８、活性層６、第２絶縁膜９は、この順に積層されている。ＳＯＩ基板を熱酸化した基板が好適である。
　図４（ｂ）を参照して、第２絶縁膜９上に、下部電極１０、圧電膜１１、上部電極１２がこの順で堆積される。下部電極１０と上部電極１２は、例えば、スパッタ法を用いて、形成される。下部電極１０と上部電極１２は、他に、蒸着法などによって成膜されても良い。圧電膜１１は、例えば、スパッタ法を用いて、形成される。圧電膜１１は、他に、ゾル－ゲル法などによって成膜されても良い。
　図４（ｃ）を参照して、上部電極１２と圧電膜１１と下部電極１０がパターニングされる。上部電極１２と下部電極１０は、例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ、反応性イオンエッチング）で形成されるのが好適である。上部電極１２と下部電極１０は、エッチャント液を用いた、ウェットエッチングにより形成されても良い。どのようなエッチングが用いられる場合でも、下に形成されている膜がエッチングされ難い溶液を使用する必要がある。上部電極１２と下部電極１０がＲＩＥで形成される場合は、Ｃｌ２／Ａｒ系のガスなどが用いられるのが好適である。圧電膜１１は、例えば、ＲＩＥで形成されるのが好適である。下に形成されている膜がエッチングされ難いガスが用いられるのが良く、Ｃｌ２／ＢＣｌ３／ＣＨ４系のガスなどが用いられるのが好適である。
　エッチング保護膜は、レジストを使用するのが好適である。エッチング後、レジストが除去される。除去方法は、Ｏ２アッシングが好適である。レジストは、剥離液を用いて除去されても良い。
　図４（ｄ）を参照して、第３絶縁膜１３と配線電極１４が堆積され、パターニングされる。第３絶縁膜１３は、金属材料、圧電材料により成膜されているので、低温で成膜されるのが好ましい。例えば、低温で成膜が可能である、ＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル）酸化膜が好適である。上部電極１２がＴｉ／Ｐｔで形成された場合など、内部応力または膜質にもよるが、ＰｔとＴＥＯＳ酸化膜とは密着性が悪い場合がある。この場合、密着性を良くするために、Ｐｔ上にＴｉが形成され、上部電極１２がＴｉ／Ｐｔ／Ｔｉで形成されるのが好ましい。パターニングはＲＩＥで行われるのが好適である。エッチング保護膜は、レジストを使用するのが好適である。第３絶縁膜１３は、前述と同様に、エッチャント液を用いた、ウェットエッチングにより形成されても良い。どのようなエッチングが用いられる場合でも、下に形成されている膜がエッチングされ難い、ガス、溶液を使用する必要がある。第３絶縁膜１３がＲＩＥで形成される場合は、ＣＦ４系のガスが用いられるのが好適である。エッチング後、レジストが除去される。除去方法は、Ｏ２アッシングが好適である。レジストは、剥離液を用いて除去されても良い。配線電極１４は、下部電極１０および上部電極１２と同様の工程で成膜、パターニングされるのが好適である。第３絶縁膜１３のパターニングにより、配線電極１４は、下部電極１０と上部電極１２にそれぞれ接続される。
　図５（ａ）～（ｃ）は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサー１の製造方法の後半工程を示す概略断面図である。基板Ｓから振動板２とカバー部ＣＰとがＭＥＭＳ製造技術により一体成型で作製され、カバー部ＣＰに、空隙３と、空隙３に連通する音孔４とが形成される。
　図５（ａ）を参照して、おもり５が形成される。おもり５がポリシリコンで形成される場合は、例えば、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）法を用いて、堆積され、例えば、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）法のような反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて、エッチングされる。他の方法では、別のＳＯＩ基板の支持層がＩＣＰ－ＲＩＥ法でおもり５の形状に作製され、例えば、常温接合法またはプラズマ表面活性化接合などで２つの基板が接合された後、活性層がＩＣＰ－ＲＩＥ法で除去されても良い。
　図５（ｂ）を参照して、支持層７がエッチングされる。これにより、空隙３が形成される。支持層７のエッチングは、例えば、ＩＣＰ－ＲＩＥ法を用いて実施されるのが好適である。
　図５（ｃ）を参照して、音孔４が形成される。基板１５に音孔４が形成された後、基板１５が支持層７に接合される。この工程では、基板１５が支持層７に接合された後、音孔４が形成されても良い。音孔４は、例えば、基板１５がシリコンで形成された場合は、例えば、ＩＣＰ－ＲＩＥ法のようなＲＩＥ法を用いて、エッチングにより形成されるのが好適である。基板１５がガラスで形成された場合は、例えば、フッ酸系のウェットエッチング、また、サンドブラスト法などで音孔４が形成されるのが好ましい。基板１５と支持層７との接合には、基板１５がシリコンで形成された場合は、例えば、常温接合法またはプラズマ表面活性化接合が好適である。基板１５と支持層７との接合には、基板１５がガラスで形成された場合は、陽極接合が好適である。
　以上の工程を経て、超音波トランスデューサー１は形成される。
　本実施の形態の製造方法以外にも、支持層７と基板１５がＳＯＩ基板で形成され、振動板２と接合されても良い。この製造方法で実施することで、振動板２の上側に圧電膜１１を形成することが可能となる。
　次に、図１～図３を参照して、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の動作を説明する。
　下部電極１０と上部電極１２に電圧が印加される。電圧は、片側の電極がＧＮＤ（グランド）もしくは固定電圧とされ、もう片側の電極に、正弦波もしくは、固定電圧＋正弦波が印加されるのが好ましい。下部電極１０と上部電極１２の間に電位差が生じることで、圧電膜１１がＸ－Ｙ面内方向に変形する。その変形により、振動板２はＺ方向に振動する。振動板２の振動により、音波が発生する。その音波は、音孔４を通って、進行する。
　振動板２で発生した音波は、空隙３と音孔４で形成された音響増幅構造により、増幅され発信される。受信する場合も同様に、音孔４に入力された音波が、空隙３と音孔４で形成された音響増幅構造により、増幅されて振動板２に受信される。
　空隙３と音孔４で構成された音響増幅構造は、ヘルムホルツ共鳴器と呼ばれる構造である。ヘルムホルツ共鳴器は、空隙３部分にある空気をバネ、音孔４部分の空気を質量とした共鳴器である。ヘルムホルツ共鳴器部分とは別に、振動板２部分もバネ－マス系の共振構造である。したがって、本実施の形態の超音波トランスデューサー１は、２自由度のバネ－マス系となる。
　続いて図６および図７を参照して、本実施形態の動作の解析を説明する。図６は音響増幅構造を持つ、超音波トランスデューサー１の振動運動を、２自由度のバネ－マス系で示した等価モデルである。２自由度のバネ－マス系は、振動板２を含むバネ－マス系と音孔４内の空気を含むバネ－マス系の二つの系が接続された形で構成されている。
　振動板２を含むバネ－マス系はモデル上、振動板質量体１０１、振動板バネ１０２、振動板ダンパ１０３で構成される。それぞれ、等価質量Ｍ１、等価バネ係数Ｋ１、等価減衰係数Ｃ１を持つ。振動板質量体１０１は、振動板２とおもり５を含む質量体に相当するモデル上の質量体である。振動板バネ１０２は、振動板２の弾性変形に相当するモデル上のバネである。振動板ダンパ１０３は振動板２が変形する際の摩擦や空気抵抗に相当する、モデル上のダンパである。
　ヘルムホルツ共鳴器を形成する、音孔４内の空気を含むバネ－マス系は、モデル上、共鳴器質量体２０１、共鳴器バネ２０２、共鳴器ダンパ２０３で構成される。共鳴器質量体２０１、共鳴器ダンパ２０３は、それぞれ、等価質量Ｍ２、等価減衰係数Ｃ２を持つ。共鳴器質量体２０１は、音孔４内の振動変位する空気に相当する、モデル上の質量体である。共鳴器バネ２０２は、空隙３内の、弾性的に圧縮と膨張を繰り返す空気に相当する、モデル上のバネである。共鳴器バネ２０２（空隙３内の空気）は、振動板質量体１０１（振動板２とおもり５）と共鳴器質量体２０１（音孔４内の空気）とを繋いでいる。ただし、共鳴器バネ２０２を介して振動板質量体１０１と共鳴器質量体２０１に作用する力は対称ではない。その詳細は後述する。共鳴器ダンパ２０３は、主に音孔４の細管内を空気が移動する際の、摩擦や熱拡散に相当する、モデル上のダンパである。本モデルでは、共鳴器ダンパ２０３はＧＮＤ（グランド）に接続されている。これは振動板２の、音孔４内空気の振動の減衰への影響が十分低い為である。
　ρを空気の密度とし、Ｓ２を音孔４の開口面積（Ｘ－Ｙ平面の断面積）とし、Ｌを音孔４のＺ方向の長さとすると、音孔４内部の空気の質量はρＳ２Ｌで表される。実際には、音孔４周辺の空気も付加的に振動するため、開口部の形状による開口部補正として、Ｌには補正係数が追加される。このため、Ｌは実効長Ｌ’となる。従って、等価質量Ｍ２は次の式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　空隙３内部の空気の体積と圧力の変化は断熱過程に従うので、ｃを音速とし、Ｖを空隙３の体積とすると、空隙３内部の圧力変化Δｐは式（４Ａ）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ΔＶは空隙３内の空気の体積変化である。空隙３内の空気の体積変化は、音孔４内の空気と振動板２の変位による体積変化と等しいので、式（４Ａ）は式（４Ｂ）と変形される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ｘ１、ｘ２はそれぞれ、振動板２の振動面内の平均変位、音孔４内の空気の平均変位であり、モデルにおける振動板質量体１０１、共鳴器質量体２０１の変位とそれぞれ等しい。振動面内の平均の変位とは、振動面全体が一様に変位したと仮定した場合に、空隙３に生じる体積変化がΔＶと等しくなる変位である。すなわち、振動板２による空隙３の体積変化は－Ｓ１ｘ１、音孔４内の空気による空隙３の体積変化はＳ２ｘ２と表され、両者の和がΔＶと等しい。一般的には、振動板２は周辺部が固定され中央部が大きく振動する構造となっているため、振動面全体が一様には変位しない。図６、および、式（４Ｂ）では、簡略化のため変位を一様とし、空隙３の体積変化がΔＶと等しくなるような平均変位を用いてモデル化している。
　このとき、振動板２および音孔４内部の空気には、圧力変化Δｐにそれぞれの面積を乗じた力が作用する。すなわち、振動板２の振動部分の面積をＳ１とすると、音孔４内部の空気に作用する力は式（４Ｃ）、振動板２に作用する力は式（４Ｄ）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　但し、Ｋ２は式（４Ｅ）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　式（４Ｃ）と式（４Ｄ）を比較すると、空隙３を介して振動板２および音孔４内部の空気に作用する力は対称ではなく、それぞれの面積に比例した大きさとなる。
　以上を踏まえて、振動板質量体１０１がＦｏｓｉｎωｔの力で振動した場合の本モデルにおける運動方程式は、各等価量を用いて次の式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、各値は次の式（６）とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　運動方程式を解くと、共鳴器質量体２０１の変位の振幅Ｘ２は式（７Ａ）で表される。なお、変位ｘ２は位相を含んだ周波数振動を表す複素数であり、振幅Ｘ２はその大きさである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　一方、ヘルツホルム共鳴器を持たない振動板２のみの場合を考えると、その最大変位、つまり、共振周波数ω１１における変位の振幅Ｘ０は式（７Ｂ）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　放射される音波の大きさ（音圧）は体積速度に比例するので、音孔４から放射される音圧と、ヘルツホルム共鳴器を持たない振動板２のみから放射される音圧との比（音圧比）は、式（７Ａ）と式（７Ｂ）にそれぞれの面積を乗じた値の比で表される。すなわち、音圧比は式（７Ｃ）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　従って、式（７Ｃ）の値が１以上であれば、ヘルムホルツ共鳴器の作用により、放射される音圧を増幅することができる。
　より簡略的に、ω＝ω１１＝ω２２、ζ＝ζ１＝ζ２とした場合、式（７Ｃ）は次の式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　従って、式（８）の値が１以上であれば、ヘルムホルツ共鳴器の作用により、放射される音圧を増幅することができる。質量比ａの２次方程式として解くと、上記の式（２）を満たすこととなる。
　図７は、例えば、減衰比ζ＝０．０１、面積比ｂ＝５の場合の質量比ａと音圧比の関係のグラフを示す。上記の式（２）より、質量比ａが０．０００７８以下となれば、増幅効果が得られる。すなわち、ヘルムホルツ共鳴器側の等価質量が振動板２側の等価質量の０．０００７８以下となれば、増幅効果が得られる。
　図７より、質量比が小さくなると音圧比は飽和しているが、飽和数値はＱ値である５０（１／２ζ）となっている。
　前述は送信の場合の解析であるが、受信の場合も同様となる。
　ヘルムホルツ共鳴器の音孔４に入射する音圧の大きさをＰ０とすると、図６の共鳴器質量体２０１はＰ０Ｓ２ｓｉｎωｔの力で振動し、運動方程式は次の式（９）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　運動方程式を解くと、振動板質量体１０１の変位の振幅Ｘ１は式（１０Ａ）で表される。なお、変位ｘ１は位相を含んだ周波数振動を表す複素数であり、振幅Ｘ１はその大きさである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　一方、ヘルツホルム共鳴器を持たない振動板２のみの場合に、振動板２に同じ音圧Ｐ０の音波が入射すると、振動板質量体１０１はＰ０Ｓ１ｓｉｎωｔの力で振動し、その最大変位、つまり、共振周波数ω１１における変位の振幅Ｘ０は式（１０Ｂ）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ヘルムホルツ共鳴器（空隙３、音孔４）を介して生じる振動板２の変位と、ヘルツホルム共鳴器を持たない場合に振動板２に生じる変位との振幅の比（振幅比）は、式（１０Ａ）と式（１０Ｂ）の比で表される。すなわち、振幅比は式（１０Ｃ）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　式（１０Ｃ）の振幅比は前述の式（７Ｃ）の音圧比と同じである。
　より簡略的に、ω＝ω１１＝ω２２、ζ＝ζ１＝ζ２とした場合、式（１０Ｃ）は次の式（１１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　式（１１）の振幅比も前述の式（８）の音圧比と同じである。
　従って、ヘルツホルム共鳴器を持たない場合に振動板２に生じる振幅に対する、ヘルツホルム共鳴器（音孔４、空隙３）を介して振動板２に生じる振幅の比は、受信における音圧比と全く同じであり、受信の場合も、送信の場合と同様に、質量比ａを小さくすることで増幅効果を得ることができる。
　振動板２側の等価質量はおもり５を含むものであり、おもり５を含まないで振動板２の等価質量のみで条件を満たす場合は、おもり５を形成する必要はない。
　次に、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の作用効果を説明する。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、振動板２と、カバー部ＣＰとはＭＥＭＳにより一体的に構成されている。このため、例えば、バルク圧電型に比べて超音波トランスデューサー１を小型化することができる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、空隙３と音孔４とはヘルムホルツ共鳴器を構成している。ヘルムホルツ共鳴器は、音響増幅構造である。振動板２の等価質量がヘルムホルツ共鳴器の等価質量より大きい。したがって、音響増幅効果を高めることができる。つまり、振動板２から発生した音波および音孔４に入力される音波を増幅することができる。このため、音波をより遠くに発信することが可能となり、かつより遠くから入射される音波を受信することが可能となる。これにより、超音波トランスデューサー１の距離測定範囲を大きくすることができる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、上記の式（１）が満たされる。このため、音圧を増幅することが可能となる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、おもり５は振動板２に接続されている。このため、おもり５により振動板２の振幅を大きくすることができる。したがって、音圧の増幅効果を大きくすることができる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、式（１）において、振動板２とヘルムホルツ共鳴器との共振周波数が一致し、かつ各減衰比が一致した場合、上記の式（２）が満たされる。これにより、音圧を増幅することが可能となる。また、構造設計が容易となる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、圧電により駆動および受信するように構成されている。このため、圧電により、低電圧での駆動および高受信感度が可能となる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、振動板２とヘルムホルツ共鳴器とはＳＯＩ基板により構成されている。このため、振動板２とヘルムホルツ共鳴器をＳＯＩ基板により構成することで簡易に作製することができる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１の製造方法によれば、振動板２とカバー部ＣＰとがＭＥＭＳ製造技術により一体成型で作製される。このため、例えば、バルク圧電型に比べて超音波トランスデューサー１を小型化することができる。また、一体成型により振動板２と音孔４の位置を精度良く決めることができるので、効率良く音波を出力することができる。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１の製造方法によれば、空隙３と音孔４とはヘルムホルツ共鳴器を構成している。ヘルムホルツ共鳴器は、音響増幅構造である。振動板２の等価質量がヘルムホルツ共鳴器側の等価質量より大きい。このため、音響増幅効果を高めることができる。つまり、振動板２から発生した音波および音孔４に入力される音波を増幅することができる。したがって、音波をより遠くに発信することが可能となり、かつより遠くから入射される音波を受信することが可能となる。これにより、超音波トランスデューサー１の距離測定範囲を大きくすることができる。
　実施の形態２．
　図８を参照して、実施の形態２の超音波トランスデューサー１を説明する。本実施の形態の超音波トランスデューサー１は、実施の形態１の超音波トランスデューサー１と同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態１の超音波トランスデューサー１と異なっている。
　超音波トランスデューサー１は、蓋１９をさらに備えている。蓋１９には、おもり５を収容可能な内部空間２０が設けられている。実施の形態２は、実施の形態１とはおもり５の形状が異なっている。このおもり５の形状は、本実施の形態の利点をより説明し易くするための形状であり、実施の形態１の形状でも良い。
　蓋１９は、シリコン基板またはＳＯＩ基板などを掘り込んでおもり５を収容するように内部空間２０部を形成するのが好適である。蓋１９は、常温接合もしくはプラズマ表面活性化接合などで接合するのが好適である。蓋１９は、ガラス基板を用いた場合は、陽極接合で接合するのが好適である。蓋１９は、接合時には真空または低圧で接合される。これにより、内部空間２０は真空または低圧となる。内部空間２０におもり５が収容された状態において内部空間２０は真空または低圧である。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１は、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の効果に加えて、以下の効果を奏する。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、蓋１９に設けられた内部空間２０におもり５が収容された状態において内部空間２０は真空または低圧である。このため、おもり５の振動による音波への影響を低減させることにより、効率良く音波を出力することができる。音波を発生させるとき、振動板２は振動する。その場合、図８に示すように、おもり５の形状が傘状である場合またはおもり５に凹凸がある場合、空気に乱れが発生する。おもり５に凹凸がない場合も、現実的には完全に上下に振動するのは難しく、横に振動し、空気に乱れが発生することがある。その空気の乱れにより、振動板２の振動が乱れることがある。そこで、蓋１９でおもり５を囲い、内部空間２０を真空または低圧にすることで、空気の乱れを低減させることができる。この構成により、振動板２は、乱れることなく振動することが可能となる。
　実施の形態３．
　図９を参照して、実施の形態３の超音波トランスデューサー１を説明する。本実施の形態の超音波トランスデューサー１は、実施の形態１の超音波トランスデューサー１と同様の構成を備えるが、主に以下の点で、実施の形態１の超音波トランスデューサー１と異なっている。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１では、おもり５は、振動板２に対して音孔４側に配置されている。おもり５は、空隙３に配置されている。おもり５は、第１絶縁膜８上に配置されている。
　おもり５は、支持層７を形成するときに同様に形成される。おもり５は、支持層７と同じ材料で形成される。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１は、実施の形態１の超音波トランスデューサー１の効果に加えて、以下の効果を奏する。
　本実施の形態の超音波トランスデューサー１によれば、おもり５は、振動板２に対して音孔４側に配置されている。おもり５が圧電膜１１側にないため、おもり５が圧電膜１１側にある場合よりも下部電極１０と圧電膜１１と上部電極１２を大きな面積で成膜することができる。このため、振動板２を駆動する駆動力を大きくすることが可能となる。したがって、より効率良く振動板２を振動させることが可能となる。また、圧電膜１１の位置におもり５を接合するため、圧電膜１１の研磨等が必要ない。
　実施の形態４．
　図１０を参照して、実施の形態４の距離測定装置１００を説明する。距離測定装置１００は、例えば、車両の自動ブレーキに使用される超音波距離測定システムである。
　距離測定装置１００は、超音波トランスデューサー１と、プリント基板５１と、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ、特定用途向け集積回路）５２とを備えている。距離測定装置１００は、指向性調整ホーン５３と防水防塵膜５４と樹脂５５を備えても良い。
　プリント基板５１上に超音波トランスデューサー１とＡＳＩＣ５２が配置される。超音波トランスデューサー１とＡＳＩＣ５２は、ワイヤボンドなどで電気的に接続される。指向性調整ホーン５３は、音波の指向性を調整する形状に構成されている。防水防塵膜５４は、超音波トランスデューサー１に水およびほこりなどが入ることを防ぐための膜である。防水防塵膜５４は音波が通りやすいように薄い膜であることが好ましい。防水防塵膜５４は疎水性の膜を成膜した金属などを網目状にして配置したものでも良い。超音波トランスデューサー１は、樹脂５５などでかためられることで取り扱いやすくなる。樹脂５５は熱硬化性樹脂などが好適である。
　超音波トランスデューサー１の動作は、実施の形態１と同様である。ＡＳＩＣ５２からの入力信号により、超音波トランスデューサー１から、音波が発生する。その音波が指向性調整ホーン５３により指向性を持ち進行し、防水防塵膜５４を通過して、目標物まで送信される。目標物から反射した音波が送信とは逆の経路を通過して、超音波トランスデューサー１に戻ってくる。超音波トランスデューサー１はこの戻ってきた音波を受信する。例えば、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）法を用い、送信と受信の時間差から目標物の距離を測定することが可能となる。
　本実施の形態の距離測定装置１００によれば、超音波トランスデューサー１を備えているため、距離を測定することができる。
　上記の各実施の形態を適宜組み合わせることが可能である。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　超音波トランスデューサー、２　振動板、３　空隙、４　音孔、５　おもり、６　活性層、７　支持層、８　第１絶縁膜、９　第２絶縁膜、１０　下部電極、１１　圧電膜、１２　上部電極、１３　第３絶縁膜、１４　配線電極、１５　基板、１９　蓋、２０　内部空間、５１　プリント基板、５２　ＡＳＩＣ、５３　指向性調整ホーン、５４　防水防塵膜、５５　樹脂、１００　距離測定装置、ＣＰ　カバー部、Ｓ　基板、１０１　振動板質量体、１０２　振動板バネ、１０３　振動板ダンパ、２０１　共鳴器質量体、２０２　共鳴器バネ、２０３　共鳴器ダンパ。

Claims (9)

  1. 　音波を発生可能な振動板と、
    　前記振動板に接続されたカバー部とを備え、
    　前記振動板と前記カバー部とはＭＥＭＳにより一体的に構成されており、
    　前記カバー部には空隙と、前記空隙に連通する音孔とが設けられており、
    　前記空隙と前記音孔とはヘルムホルツ共鳴器を構成しており、
    　前記振動板の等価質量が、前記ヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きく、
    　次の式（１）が満たされ、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　前記式（１）において、ωは駆動周波数であり、ω１１は振動板共振周波数であり、ω２２はヘルムホルツ共振周波数であり、ζ１は前記振動板の減衰比であり、ζ２はヘルムホルツ減衰比であり、ａは質量比であり、ｂは面積比である、超音波トランスデューサー。
  2. 　おもりをさらに備え、
    　前記おもりは、前記振動板に接続されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサー。
  3. 　蓋をさらに備え、
    　前記蓋には前記おもりを収容可能な内部空間が設けられており、
    　前記内部空間に前記おもりが収容された状態において前記内部空間は真空または低圧である、請求項２に記載の超音波トランスデューサー。
  4. 　前記おもりは、前記振動板に対して前記音孔側に配置されている、請求項２に記載の超音波トランスデューサー。
  5. 　前記式（１）において、前記振動板と前記ヘルムホルツ共鳴器との共振周波数が一致し、かつ各減衰比が一致した場合、次の式（２）が満たされる、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサー。
  6. 　圧電により駆動および受信するように構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサー。
  7. 　前記振動板と前記ヘルムホルツ共鳴器とはＳＯＩ基板により構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサー。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサーを備えた、距離測定装置。
  9. 　基板が準備される工程と、
    　前記基板から振動板とカバー部とがＭＥＭＳ製造技術により一体成型で作製され、前記カバー部に、空隙と、前記空隙に連通する音孔とが形成される工程とを備え、
    　前記空隙と前記音孔とはヘルムホルツ共鳴器を構成しており、
    　前記振動板の等価質量が、前記ヘルムホルツ共鳴器の等価質量よりも大きい、超音波トランスデューサーの製造方法。
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