CN107710786A - 超声波探头以及超声波检查装置 - Google Patents

超声波探头以及超声波检查装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107710786A
CN107710786A CN201680037346.6A CN201680037346A CN107710786A CN 107710786 A CN107710786 A CN 107710786A CN 201680037346 A CN201680037346 A CN 201680037346A CN 107710786 A CN107710786 A CN 107710786A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
piezoelectric body
ultrasonic
ultrasonic probe
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680037346.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107710786B (zh
Inventor
大野茂
住川健太
高桥卓也
柳谷隆彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Power Solutions Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Power Solutions Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Power Solutions Co Ltd filed Critical Hitachi Power Solutions Co Ltd
Publication of CN107710786A publication Critical patent/CN107710786A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107710786B publication Critical patent/CN107710786B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2437Piezoelectric probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/12Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/225Supports, positioning or alignment in moving situation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/265Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/07Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/01Indexing codes associated with the measuring variable
    • G01N2291/014Resonance or resonant frequency

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明的目的是使得能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置容易地形成。为此,构成超声波探头4的层叠压电元件40具备在下部电极42与上部电极49之间设置层叠压电体膜48而成的层叠压电元件40。层叠压电体膜48在具有相对于膜面实质上垂直方向的自发极化的ZnO膜43上直接形成有与ZnO不同且具有与ZnO相反方向的自发极化的ScAlN膜44。

Description

超声波探头以及超声波检查装置
技术领域
本发明涉及超声波探头以及超声波检查装置。
背景技术
近年来,随着以手机为代表的消费类产品的轻薄短小化,电子部件小型化,封装也多样化、复杂化。为了检测出这些封装内部的裂缝、剥离、空隙(void)而确保可靠性,通过超声波来进行非破坏检查。
该非破坏检查使用超声波检查装置进行,在该超声波检查装置中,将与检查对象对置设置并进行超声波收发的物质称为超声波探头。如果将超声波照射于检查对象则一边在检查对象的表面和内部的界面产生透射和反射一边传播到检查对象内部。在各界面的反射率、透射率根据界面前后的材料而不同,来自各界面的反射波持有与距超声波探头的距离对应的延迟和依赖于界面前后的材料的强度而返回到超声波探头。因此如果在检查对象上一边扫描超声波探头一边进行发送超声波后接收经预定时间后返回来的超声波并将与反射强度对应的亮度的像素进行显示这样的操作,则可以获得检查对象的所关注的界面的反射强度分布图像。例如,在空隙的部分超声波几乎100%被反射,在反射强度分布图像上形成与周围明确的差别。因此,可以检测出检查对象内的空隙。
随着成为检查对象的电子部件的进化,要求对于更小的缺陷也能够检测出来那样的高频用超声波探头。这里所谓的高频,是指例如200MHz以上的频率的超声波。
一般而言超声波检查在易于传播超声波的水中浸渍检查对象而进行,但如果为高频,则在水中、检查对象中的超声波的衰减变大。因此,需要提高高频的超声波的S/N比。作为提高S/N比的方法,有在收发计测器与超声波探头内的压电元件之间取得电阻抗匹配的方法。
压电元件具有将压电材料用电极夹入的结构,在电路中可以与电容元件同样地对待。因此,压电元件的阻抗与电极面积成反比,并与压电材料的膜厚成正比,因此通过减小电极面积的方法、增厚膜厚的方法,可以增大阻抗。这里,如果要取得200MHz以上的高频用的压电元件的阻抗匹配,则需要减小电极面积,但在该方法中,超声波的发射面积变小,不现实。对于增厚膜厚的方法,由于压电元件的共振频率与压电材料的膜厚成反比,因而不能振荡所希望的高频。如上,高频用压电元件中,频率与阻抗匹配具有此消彼长的关系。
为了避免频率与阻抗匹配处于此消彼长的关系这样的问题,专利文献1中记载了使用高阶模态的共振的方法。专利文献1中,示出了如下技术:将极化方向与基板大致平行且彼此为相反方向的多张压电膜以能够获得一阶模态的共振频率的膜厚进行层叠,使其进行层叠数的高阶模态共振。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2007-36915号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1所记载的技术基于具有彼此相反方向的极化的相同材料的层叠压电体膜。如果用相同材料使压电体膜生长,则具有如下性质:在基底层上的层会延续基底层的极化方向进行生长。因此,在使具有极化方向的压电体膜生长时,从中途开始使极化方向成为相反方向进行生长是非常困难的。此外,这样的层叠压电体膜的成膜速度慢。
具有200MHz以上的共振频率的压电体的膜厚虽然取决于压电材料,但为数μm。在使用高阶模态共振的情况下,需要形成多层的数μm的压电体,因此如果成膜速度慢则难以适用于产品。此外,也可以考虑通过贴合来制成压电体膜,但使数μm的膜厚的压电体以不产生裂缝的方式贴合,与利用成膜的形成同样非常困难。
因此,本发明的课题是,使得不减小电极面积而改善阻抗匹配状态、并能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置能够容易地形成。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题,本发明的超声波探头的特征在于,具备在下部电极与上部电极之间设置层叠压电体膜而成的压电元件。上述层叠压电体膜在第1压电体层上直接形成有第2压电体层,上述第1压电体层由具有相对于膜面实质上为垂直方向的自发极化的第1压电材料形成,上述第2压电体层由与上述第1压电材料不同且具有与上述第1压电材料相反方向的自发极化的第2压电材料构成。
关于其它方案,在具体实施方式中说明。
发明的效果
根据本发明,可使得不减小电极面积而改善阻抗匹配状态、并能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置能够容易地形成。
附图说明
图1是表示超声波检查装置的一部分的外观的立体图。
图2是表示超声波检查装置的概略的框图。
图3是表示第1实施方式的超声波探头中使用的层叠压电元件的构成的截面图。
图4是表示使用了ScAlN层的单层压电元件的构成的截面图。
图5是表示使用了ZnO层的单层压电元件的构成的截面图。
图6是表示单层压电元件的测定的图。
图7是ScAlN层和ZnO层的电信号的波形图。
图8是表示单层压电元件与层叠压电元件的频率特性的图。
图9是表示第2实施方式中的层叠压电元件的构成的截面图。
图10是表示第3实施方式中的层叠压电元件的构成的截面图。
具体实施方式
以下,参照各图对具体实施方式进行详细地说明。
(第1实施方式)
图1是表示超声波检查装置1的外观的立体图。
超声波检查装置1具备三轴扫描仪2(扫描机构)、超声波探头4和保持该超声波探头4的保持架3。三轴扫描仪2包含x轴扫描仪21、y轴扫描仪22、z轴扫描仪23而构成。z轴扫描仪23安装于x轴扫描仪21,x轴扫描仪21安装于y轴扫描仪22。该三轴扫描仪2相对于平面状的检查对象6调整超声波探头4的高度并以二维进行扫描。由此超声波检查装置1可以通过超声波将平面状的检查对象6影像化。
超声波探头4通过保持架3安装于三轴扫描仪2。该三轴扫描仪2使超声波探头4以二维进行扫描,并且检测其扫描位置。由此,超声波检查装置1可以将各扫描位置与回波的关系以二维进行影像化。
此外,检查对象6被浸渍于装入水槽8中的使超声波传播的液态介质7(一般为水),且以超声波探头4的前端与检查对象6对置的方式配置。
通过使水槽8与x轴扫描仪21和y轴扫描仪22的动作范围相比稍大,从而能够用超声波探头4在设置在水槽8内的任意位置的检查对象6上进行扫描。超声波探头4的前端与检查对象6的表面的距离可以用z轴扫描仪23任意地调整。
图2是表示超声波检查装置1的概略的框图。
超声波检查装置1包含超声波探头4、三轴扫描仪2、保持架3、脉冲电压产生装置52、前置放大器53、接收器54、A/D转换器55、控制装置56、信号处理装置57、图像显示装置58的各部而构成。
脉冲电压产生装置52在每个预定的扫描位置输出信号。该信号为例如冲击波、爆炸波的电信号。
前置放大器53在通过脉冲电压产生装置52的信号向超声波探头4输出超声波后,将超声波探头4接收到的信号放大而输出至接收器54。接收器54将被输入的信号进一步放大而输出至A/D转换器55。
对于A/D转换器55,经由接收器54,输入从检查对象6反射回来的回波。A/D转换器55在将该回波的模拟信号进行选通处理之后转换成数字信号,输出至控制装置56。
控制装置56控制该三轴扫描仪2,用超声波探头4以二维进行扫描,取得超声波探头4的各扫描位置的同时用超声波测定检查对象6。控制装置56例如以X轴为主扫描方向,以Y轴为副扫描方向,首先使超声波探头4移动至Y轴的起点位置。接下来控制装置56使超声波探头4沿主扫描方向且去路方向移动而取得奇数号线的超声波信息,使其沿副扫描方向仅移动1步。控制装置56进一步使超声波探头4沿主扫描方向且回路方向移动而取得偶数号线的超声波信息,使其沿副扫描方向仅移动1步。
对于超声波探头4,在各扫描位置从脉冲电压产生装置52经由前置放大器53施加高频信号。通过该高频信号,超声波探头4内的压电元件变形而产生超声波,从超声波探头4的前端向着检查对象6发送超声波。
从检查对象6回来的反射波通过超声波探头4内部的压电元件被转换成电信号,在前置放大器53和接收器54中被放大。对于该被放大的信号,在A/D转换器55转换成数字信号后,通过信号处理装置57进行波高分析。信号处理装置57将与该波高对应的对比度的像素显示于图像显示装置58。
信号处理装置57中,从控制装置56输入检查对象6的各扫描位置、以及与此相对应的超声波信号。信号处理装置57进行将与检查对象6的各扫描位置对应的超声波的测定结果影像化的处理,并将处理后的检查对象6的超声波图像显示于图像显示装置58。
控制装置56一边通过三轴扫描仪2使超声波探头4进行扫描,一边通过重复进行一系列操作,从而在图像显示装置58上将来自检查对象6内部的反射强度分布进行图像化。通过该图像,可以检测出空隙等检查对象6内部的缺陷。
图3是表示第1实施方式的超声波探头4中使用的层叠压电元件40的构成的截面图。
超声波探头4具备在下部电极42与上部电极49之间设置层叠压电体膜48而成的层叠压电元件40。层叠压电体膜48中,在c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有上表面侧为O极性的自发极化的ZnO膜43(第1压电体层)上,直接形成有由c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有与ZnO(第1压电材料)相反方向的自发极化、即上表面侧成为Al极性的自发极化的ScAlN(第2压电材料)形成的ScAlN膜44(第2压电体层)。另外,所谓与层叠压电体膜大致垂直的自发极化的方向,不仅是严格的90度,而是指实质上垂直的方向,相对于膜面为70度~90度,进一步优选为80度~90度。在层叠压电体膜内的自发极化方向局部存在摇摆的情况下,通过平均极化方向来定义。对于上述材料,c轴方向与自发极化方向一致。
在制作层叠压电元件40时,首先在兼作声透镜的石英玻璃的基材41上形成下部电极42。在该下部电极42上,形成作为进行自发极化的第1压电体层的ZnO膜43。然后在ZnO膜43上直接形成层叠了作为第2压电体层的ScAlN膜44的层叠压电体膜48,进一步在其之上形成上部电极49。由此层叠压电元件40是层叠压电体膜48被下部电极42和上部电极49夹持而构成。通过这样地构成,ZnO膜43的上表面成为负极性,ScAlN膜44的上表面成为正极性,可以将2层的压电体层以极性反转的状态形成。这样,由于在每个相邻层都层叠了不同的材料,因此能够容易地使多层压电体层极性反转而进行层叠。
这里ScAlN为ScxAl1-xN(x超过0并且小于1),是将钪与铝以预定比率混合而得的氮化合物。
下部电极42、上部电极49、层叠压电体膜48的形成方法没有特别限定,可以为溅射法、蒸镀法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等中的任一种。ZnO膜43沿与薄膜的面垂直的1个方向(图3的上方向)进行c轴取向,具有上表面侧成为O极性的自发极化。ScAlN膜44虽然进行了c轴取向,但具有上表面侧成为Al极性的自发极化,极化方向反转。图3中,以箭头示意性表示极化的方向。
在层叠压电元件40的下部电极42上连接有电缆101,在上部电极49上连接有电缆102,施加脉冲电源103的电压。由此层叠压电元件40可以产生超声波。
ZnO膜43与ScAlN膜44的极性反转可以通过以下比较例的实验确认。关于该实验,通过图4~图7进行说明。
图4是表示比较例的单层压电元件40X的图。
在制作单层压电元件40X时,首先在石英玻璃的基材41上形成下部电极42。在该下部电极42上以单膜方式形成ZnO膜13,进一步在其之上形成上部电极49。在下部电极42上连接电缆101,在上部电极49上连接电缆102,施加脉冲电源103的电压。
图5是表示比较例的单层压电元件40Y的图。
在制作单层压电元件40Y时,首先在石英玻璃的基材41上形成下部电极42。在该下部电极42上以单膜方式形成ScAlN膜14,进一步在其之上形成上部电极49。
图6是表示单层压电元件40X的测定实验的图。
在图6所示的测定实验中,在单层压电元件40X(参照图4)的下部电极42上连接电缆101,对于上部电极49,将示波器104的探针105按压或使其分离,测定此时产生的波形。另外,单层压电元件40Y也能够同样地测定。将此时的电信号示于图7中。
图7是ScAlN层与ZnO层的电信号的波形图。
上侧的波形表示测定ScAlN的单层压电元件40Y时的波形,时刻Tp1为按压了探针105的时机,时刻Tr1为分离了探针105的时机。就ScAlN的单层压电元件40Y而言,如果施加压力则产生负电压,如果释放该压力则产生正电压。
下侧的波形表示测定ZnO的单层压电元件40X时的波形,时刻Tp2为按压了探针105的时机,时刻Tr2为分离了探针105的时机。就ZnO的单层压电元件40X而言,如果施加压力则产生正电压,如果释放该压力则产生负电压。由该图7可知,如果按压或分离示波器104的探针105,则在构成压电体层的材料为ZnO时和ScAlN时,所得的电信号的极性成为相反。由该结果可以确认,ZnO膜与ScAlN膜的极化方向是相反的。
对于图3所示的层叠压电元件40,通过在将ZnO膜43与ScAlN膜44交替层叠而得的层叠压电体膜48上形成上部电极49,从而可以下部电极42与上部电极49夹着层叠压电体膜48而构成。通过对于该层叠压电元件40,从脉冲电源103经由电缆101、102施加脉冲电压,可以由该层叠压电元件40发送超声波。
此时,为了使ZnO膜43、ScAlN膜44的结晶与基板面垂直地进行c轴取向,期望下部电极42为进行了晶格间距与ZnO膜43接近的[111]轴取向的Au膜。另外,进一步优选在Au膜与基材41之间存在使Au膜的粘接性提高的金属膜,例如Ti、Cr等的层。
也可以将ScAlN膜44形成在下部电极42上,在其之上层叠ZnO膜43,但由于膜应力的关系,在膜厚变大的情况下ScAlN膜44易于剥落。如果在ZnO膜43上形成ScAlN膜44则具有缓和膜应力的效果,因此期望在下部电极42上形成ZnO膜43。
此时,关于ZnO膜43的膜厚d1与ScAlN膜44的膜厚d2,期望设为单层的压电体层与由下部电极42、上部电极49形成的压电元件的一阶模态的共振频率几乎相同。对于膜厚与在各个膜内的超声波波长的关系,根据基材41与压电体层的声阻抗的大小而变化,成为以下的式(1)所示的条件。这里λ1为ZnO膜43内部的超声波波长,λ2为ScAlN膜44内部的超声波波长。另外,实用上,膜厚d1、d2可以相对于由式(1)算出的值具有±10%左右的误差,但期望是±2%左右的误差。
[数1]
d1=λ1/2,d2=λ2/2…(1)
此外,在使用蓝宝石作为基材41的情况下,膜厚与在各个膜内的超声波波长的关系成为以下的式(2)所示的条件。实用上,膜厚d1、d2可以相对于由式(2)算出的值具有±10%左右的误差,但期望为±2%左右的误差。
[数2]
d1=λ1/4,d2=λ2/4…(2)
通过设为满足式(1)或式(2)的结构,从而由层叠压电元件40发送的超声波的频率成为与从各个单层压电元件40X、40Y发送的超声波几乎相同的频率,并且可以增厚压电体的膜厚。
另一方面,可以增大层叠压电元件40的电阻抗Z3。使用下式(3)~式(5)对其进行说明。
使用了ZnO膜43的单层压电元件40X的电阻抗Z1由以下的式(3)表示。
[数3]
Z1=d1/(2πfε1S)…(3)
其中,f:超声波的频率
S:电极面积
ε1:ZnO膜的介电常数
使用了ScAlN膜44的单层压电元件40Y的电阻抗Z2由以下的式(4)表示。
[数4]
Z2=d2/(2πfε2S)…(4)
其中,ε2:ScAlN膜的介电常数
与此相对,层叠压电元件40(参照图3)的电阻抗Z3如以下的式(5)所示那样,成为Z1与Z2之和,能够使其大于单层压电元件40X、40Y的电阻抗。
[数5]
Z3=(d11+d22)/(2πfS)…(5)
图8是表示单层压电元件40X、40Y与层叠压电元件40的转换损耗的频率特性的图。上段的图表表示单层压电元件40X的转换损耗的频率特性。中段的图表表示单层压电元件40Y的转换损耗的频率特性,下段的图表表示层叠压电元件40的转换损耗的频率特性。图8中使用石英玻璃作为基材。
如上段的图所示,如果以石英玻璃作为基材41,以单层的ZnO膜43(膜厚4.2μm)作为压电体层而形成单层压电元件40X(参照图4),则基本的共振频率变为683MHz。
如中段的图所示,如果以ScAlN膜44(膜厚3.9μm)作为压电体层而形成单层压电元件40Y(图5参照),则基本的共振频率变为828MHz。
与此相对,如下段的图所示,如果从基材41侧开始在第1层层叠4.2μm的ZnO膜43,并在第2层层叠3.9μm的ScAlN膜44而形成层叠压电元件40(参照图3),则基本的共振频率f1出现在300MHz附近,但其强度小,在720MHz(f2)显著地出现二阶模态共振。层叠压电元件40的二阶模态共振的强度比单层的压电元件的基本模态大。通过这样构成,即使电极面积相同也可以通过增大膜厚来增大电阻抗,与使用单层压电元件40X、40Y的情况相比,能够获得电阻抗令人满意的压电元件。
(第2实施方式)
第1实施方式中示出了将2层压电体层进行层叠的情况,而在该第2实施方式中,将3层压电体层进行层叠。
图9是表示第2实施方式中的层叠压电元件40A的构成的截面图。
层叠压电元件40A在下部电极42与上部电极49之间具备层叠压电体膜48A。层叠压电体膜48A中,在c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有上表面侧成为O极性的自发极化的ZnO膜43(第1压电体层)上,直接形成有c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有与ZnO相反方向的自发极化、即上表面侧成为Al极性的自发极化的ScAlN膜44(第2压电体层),并且,进一步在ScAlN膜44上直接形成有具有与ZnO膜43几乎相同的取向性和相同极性的自发极化的ZnO膜45。即,由ZnO形成的压电体层和由ScAlN形成的压电体层交替地层叠多个。
通过这样构成层叠压电元件40A,从而在与形成单层压电元件40X、40Y时几乎相同的频率显著地出现三阶模态共振。
(第3实施方式)
第3实施方式中进一步层叠4层压电体层。
图10是表示第3实施方式中的层叠压电元件40B的构成的截面图。
层叠压电元件40B在下部电极42与上部电极49之间具备层叠压电体膜48B。层叠压电体膜48B中,在c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有上表面侧成为O极性的自发极化的ZnO膜43(第1压电体层)上,直接形成有c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向且具有与ZnO相反方向的自发极化的ScAlN膜44(第2压电体层),在ScAlN膜44上直接形成有具有与ZnO膜43几乎相同的取向性和相同极性的自发极化的ZnO膜45,进一步在ZnO膜45上直接形成有具有与ScAlN膜44几乎相同的取向性和相同极性的自发极化的ScAlN膜46。即,由ZnO形成的压电体层和由ScAlN形成的压电体层交替地层叠多个。
通过这样地构成层叠压电元件40B,从而在与形成单层压电元件40X、40Y时几乎相同的频率显著地出现四阶模态共振。
以下同样地将ZnO膜与ScAlN膜交替地层叠n层(n为2以上的自然数)而形成压电元件,从而在与以单层方式形成压电元件时几乎相同的频率显著地出现n阶模态共振。在该情况下,电阻抗成为单层时之和,能够获得电阻抗令人满意的压电元件。
如果适用本发明,则对各层施加相同方向的电场时由于极性是相反的,因此各层进行基本振动,产生与层数相同阶数的共振。就层叠压电元件而言,通过将压电层层叠n层,从而膜厚变大,与单层压电元件相比电阻抗变大,因此对于阻抗匹配而言变得有利,并且共振频率与单层压电元件时几乎相同。因此,超声波探头的S/N比得以提高。
此外,一般而言压电材料为绝缘体或半导体,为高电阻材料。在以单层压电元件制作高频的超声波探头的情况下,膜厚会变小,因此易于发生绝缘击穿、电流泄漏而出现故障。然而,层叠压电元件的膜厚大,因此能够增加超声波探头的耐久性。
根据本发明,由于超声波探头4的S/N比得以提高,因此如果使用采用由本发明形成的层叠压电元件40来制作的超声波探头4,则可以以高精度获得高分辨率的检查图像。
(变形例)
本发明不限定于上述实施方式,包含各种变形例。例如上述实施方式是为了对本发明进行易于理解的说明而进行的详细说明,并不一定限定于具备所说明的全部构成。可以将某实施方式的构成的一部分替换成其它实施方式的构成,也可以在某实施方式的构成中加入其它实施方式的构成。此外,关于各实施方式的构成的一部分,也可以进行其它构成的追加、删除、置换。
在各实施方式中,对于控制线、信息线,显示了说明上认为是必要的部分,制品上并不一定显示了全部的控制线、信息线。实际上,可以认为几乎所有的构成是相互连接的。
作为本发明的变形例,例如,有下述(a)、(b)那样的变形例。
(a)可以代替ZnO膜,以CdS作为第1压电材料,构成c轴方向沿与压电体薄膜的面大致垂直的1个方向取向的第1压电体层。
(b)可以代替ScAlN膜,以AlN、GaN、YbGaN中的任一种作为第2压电材料来构成第2压电体层。
符号说明
1:超声波检查装置
2:三轴扫描仪
3:保持架
4:超声波探头
40、40A、40B:层叠压电元件
40X、40Y:单层压电元件
41:基材
42:下部电极
43、45:ZnO膜
44、46:ScAlN膜
48:层叠压电体膜
49:上部电极
52:脉冲电压产生装置
53:前置放大器
54:接收器
55:A/D转换器
56:控制装置
57:信号处理装置
58:图像显示装置
6:检查对象
7:介质
8:水槽
101、102:电缆
103:脉冲电源
104:示波器
105:探针

Claims (9)

1.一种超声波探头,其特征在于,具备在下部电极与上部电极之间设置层叠压电体膜而成的压电元件,
所述层叠压电体膜中,在第1压电体层上直接形成有第2压电体层,所述第1压电体层由具有相对于膜面实质上垂直的自发极化的第1压电材料形成,所述第2压电体层由与所述第1压电材料不同且具有与所述第1压电材料相反方向的自发极化的第2压电材料构成。
2.根据权利要求1所述的超声波探头,其特征在于,所述层叠压电体膜中,进一步交替地层叠有多个所述第1压电体层和所述第2压电体层。
3.根据权利要求1或2所述的超声波探头,其特征在于,构成在所述下部电极上形成的所述第1压电体层的所述第1压电材料为ZnO。
4.根据权利要求3所述的超声波探头,其特征在于,所述下部电极为[111]轴取向的Au膜。
5.根据权利要求1或2所述的超声波探头,其特征在于,各所述第1压电体层与各所述第2压电体层分别具有能够获得一阶模态的共振的厚度,
各所述第1压电体层的一阶模态的共振频率与各所述第2压电体层的一阶模态的共振频率大致相等。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的超声波探头,其特征在于,各所述第1压电体层的厚度为所述第1压电材料的超声波波长的1/4,
各所述第2压电体层的厚度为所述第2压电材料的超声波波长的1/4。
7.根据权利要求1~5中任一项所述的超声波探头,其特征在于,各所述第1压电体层的厚度为所述第1压电材料的超声波波长的1/2,
各所述第2压电体层的厚度为所述第2压电材料的超声波波长的1/2。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的超声波探头,其特征在于,所述第2压电材料为AlN、ScAlN、GaN、YbGaN中的任一种。
9.一种超声波检查装置,其特征在于,具备权利要求1~8中任一项所述的超声波探头。
CN201680037346.6A 2015-06-30 2016-06-21 超声波探头以及超声波检查装置 Active CN107710786B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-130769 2015-06-30
JP2015130769A JP6543109B2 (ja) 2015-06-30 2015-06-30 超音波探触子および超音波検査装置
PCT/JP2016/068420 WO2017002674A1 (ja) 2015-06-30 2016-06-21 超音波探触子および超音波検査装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107710786A true CN107710786A (zh) 2018-02-16
CN107710786B CN107710786B (zh) 2020-03-27

Family

ID=57609179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680037346.6A Active CN107710786B (zh) 2015-06-30 2016-06-21 超声波探头以及超声波检查装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180188214A1 (zh)
JP (1) JP6543109B2 (zh)
KR (1) KR102033527B1 (zh)
CN (1) CN107710786B (zh)
TW (1) TWI593965B (zh)
WO (1) WO2017002674A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111570243A (zh) * 2019-02-19 2020-08-25 艾尔默斯半导体股份公司 具有改善的灵敏度和声辐射的超声波换能器
TWI735862B (zh) * 2018-04-12 2021-08-11 日商日立電力解決方案股份有限公司 超音波檢查裝置及超音波檢查方法
CN113293355A (zh) * 2021-06-11 2021-08-24 武汉大学 一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7151096B2 (ja) 2018-02-21 2022-10-12 株式会社デンソー 圧電膜、その製造方法、圧電膜積層体、その製造方法
JP7485564B2 (ja) 2019-08-09 2024-05-16 Ntn株式会社 算出方法、検査方法および軸受の製造方法
JP6990794B1 (ja) 2021-06-25 2022-01-12 株式会社日立パワーソリューションズ アレイ型超音波映像装置及びその制御方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1204398A (zh) * 1995-12-13 1999-01-06 松下电器产业株式会社 超声波流量计和超声波收发器
CN1286528A (zh) * 1999-08-26 2001-03-07 株式会社村田制作所 厚度延伸振动模式压电谐振器、梯型滤波器和压电谐振器部件
CN1399358A (zh) * 1994-12-12 2003-02-26 株式会社村田制作所 压电元件及其制造方法
CN101041291A (zh) * 2006-03-24 2007-09-26 精工爱普生株式会社 液滴喷头和液滴喷出装置
WO2013118185A1 (ja) * 2012-02-09 2013-08-15 三菱電機株式会社 空中超音波センサ

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5325390A (en) * 1976-08-22 1978-03-09 Noritaka Nakahachi Ultrasonic transducer
US4428808A (en) * 1981-04-01 1984-01-31 Westinghouse Electric Corp. Method for obtaining oriented gold and piezoelectric films
JPH0750437A (ja) * 1990-11-30 1995-02-21 Ngk Spark Plug Co Ltd 複合圧電体
US5259099A (en) * 1990-11-30 1993-11-09 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Method for manufacturing low noise piezoelectric transducer
JP3357227B2 (ja) * 1995-07-21 2002-12-16 日立建機株式会社 圧電素子およびその製造方法
JP3561745B1 (ja) * 2003-02-11 2004-09-02 関西ティー・エル・オー株式会社 薄膜製造方法
JP2006129195A (ja) * 2004-10-29 2006-05-18 Kyocera Kinseki Corp 圧電薄膜素子
JP4784815B2 (ja) * 2005-07-29 2011-10-05 学校法人同志社 高次モード薄膜共振器、圧電体薄膜及び圧電体薄膜の製造方法
JP4780500B2 (ja) * 2007-01-25 2011-09-28 学校法人同志社 超音波トランスデューサ
JP5007973B2 (ja) * 2007-04-03 2012-08-22 独立行政法人産業技術総合研究所 薄膜製造方法
JP5839157B2 (ja) * 2010-03-02 2016-01-06 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド、液体噴射装置、圧電素子、超音波センサー及び赤外センサー
JP5691627B2 (ja) * 2011-02-24 2015-04-01 コニカミノルタ株式会社 超音波探触子及び超音波診断装置
DE102012201715A1 (de) * 2011-03-03 2012-09-06 Intelligendt Systems & Services Gmbh Prüfkopf zum Prüfen eines Werkstückes mit einer eine Mehrzahl von Wandlerelementen enthaltenden Ultraschallwandleranordnung und Verfahren zum Herstellen eines solchen Prüfkopfes
JP5172032B1 (ja) * 2012-06-26 2013-03-27 株式会社日立エンジニアリング・アンド・サービス 超音波検査装置、および、超音波検査方法
US9065049B2 (en) * 2012-09-21 2015-06-23 Tdk Corporation Thin film piezoelectric device
JP6327821B2 (ja) * 2013-09-20 2018-05-23 株式会社東芝 音響センサ及び音響センサシステム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1399358A (zh) * 1994-12-12 2003-02-26 株式会社村田制作所 压电元件及其制造方法
CN1204398A (zh) * 1995-12-13 1999-01-06 松下电器产业株式会社 超声波流量计和超声波收发器
CN1286528A (zh) * 1999-08-26 2001-03-07 株式会社村田制作所 厚度延伸振动模式压电谐振器、梯型滤波器和压电谐振器部件
CN101041291A (zh) * 2006-03-24 2007-09-26 精工爱普生株式会社 液滴喷头和液滴喷出装置
WO2013118185A1 (ja) * 2012-02-09 2013-08-15 三菱電機株式会社 空中超音波センサ

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI735862B (zh) * 2018-04-12 2021-08-11 日商日立電力解決方案股份有限公司 超音波檢查裝置及超音波檢查方法
CN111570243A (zh) * 2019-02-19 2020-08-25 艾尔默斯半导体股份公司 具有改善的灵敏度和声辐射的超声波换能器
CN111570243B (zh) * 2019-02-19 2021-10-08 艾尔默斯半导体欧洲股份公司 具有改善的灵敏度和声辐射的超声波换能器
CN113293355A (zh) * 2021-06-11 2021-08-24 武汉大学 一种耐温耐磨智能螺栓用AlCrN/AlScN纳米复合压电涂层及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180008789A (ko) 2018-01-24
JP6543109B2 (ja) 2019-07-10
US20180188214A1 (en) 2018-07-05
KR102033527B1 (ko) 2019-10-17
TW201702593A (zh) 2017-01-16
CN107710786B (zh) 2020-03-27
WO2017002674A1 (ja) 2017-01-05
TWI593965B (zh) 2017-08-01
JP2017017458A (ja) 2017-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107710786A (zh) 超声波探头以及超声波检查装置
US9966524B2 (en) Ultrasonic probe, piezoelectric transducer, method of manufacturing ultrasonic probe, and method of manufacturing piezoelectric transducer
JP5644729B2 (ja) 超音波振動子、超音波探触子及び超音波画像診断装置
US9972766B2 (en) Piezoelectric transducer, ultrasonic probe, and piezoelectric transducer manufacturing method
JP6314412B2 (ja) 超音波デバイス及び超音波診断装置
CN103417246B (zh) 超声波换能器、超声波探测器、诊断装置以及电子设备
Cochran Piezoelectricity and basic configurations for piezoelectric ultrasonic transducers
Sherrit et al. Efficient electromechanical network model for wireless acoustic-electric feed-throughs
JPH02261437A (ja) 超音波探触子
US8575823B2 (en) Laminated piezoelectric material, ultrasound probe, and ultrasound diagnostic apparatus
Ma et al. High frequency transducer for vessel imaging based on lead-free Mn-doped (K0. 44Na0. 56) NbO3 single crystal
CN104244836A (zh) 超声波探头和具有该超声波探头的超声波诊断装置
Zhang et al. Heteroepitaxy of flexible piezoelectric Pb (Zr0. 53Ti0. 47) O3 sensor on inorganic mica substrate for lamb wave-based structural health monitoring
CN204933926U (zh) 一种新型超声换能器
CN106841383A (zh) 一种集成式阻抗负载声表面波气体传感器
Wu et al. Lead-free KNLNT piezoelectric ceramics for high-frequency ultrasonic transducer application
Bæk et al. Modeling transducer impulse responses for predicting calibrated pressure pulses with the ultrasound simulation program Field II
Liu et al. A dual-frequency piezoelectric micromachined ultrasound transducer array with low inter-element coupling effects
US20220085274A1 (en) Piezoelectric device and method of manufacturing the same
CN105559820A (zh) 超声波测量装置以及超声波图像装置
US20090115290A1 (en) Ultrawideband Ultrasonic Transducer
JP2016220892A (ja) 圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置
Croënne et al. Tunable phononic crystals based on piezoelectric composites with 1-3 connectivity
JP5468564B2 (ja) 超音波探触子および超音波診断装置
JP2006267477A (ja) 表示媒体および表示媒体制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant