CN111084637A - 超声波元件及超声波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了能够得到所期望的声音特性的超声波元件及超声波装置。超声波元件具备：元件基板，具有第一面、与第一面成为表里关系的第二面、贯通第一面至第二面的开口部以及包围开口部的隔壁部；支承膜，设置在元件基板的第一面且覆盖开口部，并具有面对开口部的第三面以及与第三面成为表里关系的第四面；压电元件，设置在支承膜的第四面，在从第三面朝向第四面的膜厚方向进行俯视观察时，配置在支承膜的与开口部重叠的区域；保护板，设置成与支承膜的第四面对置，通过粘合部件经由朝向支承膜突出的梁部接合至支承膜；以及壁部，设置在支承膜的第四面，在梁部和压电元件之间设置成朝向保护板突出。

Description

超声波元件及超声波装置
技术领域
本发明涉及超声波元件及超声波装置。
背景技术
以往，已知在具有开口部的基板的一面侧设置覆盖开口部的支承膜并在与开口部相对应的位置的支承膜上配置了压电元件的超声波元件(例如，参照专利文献1)。
在专利文献1的超声波元件中，在支承膜的与基板相反侧的面，经由梁部接合有保护板。由此，通过由支承膜、梁部以及保护板形成腔，来确保使压电元件振动的区域。
专利文献1：日本特开2018-110360号公报
发明内容
但是，在专利文献1的超声波元件中存在下述问题，通过粘合剂将保护板的梁部和支承膜接合时，存在粘合剂流出并到达压电元件的情况。如压电元件附着有粘合剂，则压电元件的振动特性会变化，从而无法得到所期望的声音特性。
本发明的一适用例所涉及的超声波元件，其特征在于，具备：元件基板，具有第一面、与第一面成为表里关系的第二面、贯通第一面至第二面的开口部以及包围开口部的隔壁部；支承膜，设置在元件基板的第一面且覆盖开口部，并具有面对开口部的第三面以及与第三面成为表里关系的第四面；压电元件，设置在支承膜，在从第三面朝向第四面的膜厚方向进行俯视观察时，配置在支承膜的与开口部重叠的区域；保护板，设置成与支承膜的第四面对置，通过粘合部件经由朝向支承膜突出的梁部接合至支承膜；以及壁部，设置在支承膜的第四面，在梁部和压电元件之间设置成朝向保护板突出。
在本适用例的超声波元件中，粘合部件从梁部遍及至壁部配置。
在本适用例的超声波元件中，超声波元件具备设置在支承膜的第四面并朝向梁部突出的支承壁，梁部和支承壁通过粘合部件接合。
在本适用例的超声波元件中，超声波元件具备与压电元件连接的旁路布线，壁部由旁路布线的一部分构成。
本发明的一适用例所涉及的超声波装置，其特征在于，具备上述的适用例的超声波元件、以及对压电元件输入驱动信号的驱动电路。
附图说明
图1是示出作为第一实施方式的超声波装置的一例的距离测量装置的简要结构的框图。
图2是示意性地示出第一实施方式的超声波元件的结构的俯视图。
图3是示意性地示出以图2中的A-A线截断的超声波元件的剖视图。
图4是示意性地示出第一实施方式的超声波元件的概要的剖面立体图。
图5是示出第一实施方式的超声波元件的制造工序的概要的图。
图6是示意性地示出第二实施方式的超声波元件的概要的剖视图。
图7是将第三实施方式的超声波元件中的超声波换能器中的1个进行放大的俯视图。
图8是示意性地示出以图7中的B-B线截断的超声波元件的剖视图。
图9是将变形例的超声波元件中的超声波换能器进行放大的俯视图。
图10是示意性地示出以图9中的C-C线截断的超声波元件的剖视图。
附图标记说明
1…距离测量装置(超声波装置)；10…超声波元件；20…控制部；30…驱动电路；41…元件基板；41A…开口部；41B…隔壁部；42…支承膜；43…压电元件；44…壁部；45…保护板；46…支承壁；50…超声波换能器；411…第一面；412…第二面；421…第三面；422…第四面；423…振动部；431…下部电极；431A…驱动端子；431B…下部电极引出布线；431C…下部电极连结布线(旁路布线)；431D…下部电极连接布线；432…压电膜；433…上部电极；433A…共通电极线；433B…共通端子；451…梁部；Ar…阵列区域；P…粘合部件。
具体实施方式
第一实施方式
图1是示出作为第一实施方式的超声波装置的一例的距离测量装置1的简要结构的框图。
如图1所示，本实施方式的距离测量装置1具备超声波元件10和控制超声波元件10的控制部20。在该距离测量装置1中，控制部20经由驱动电路30来控制超声波元件10，并从超声波元件10发送超声波。并且，由对象物反射超声波，如由超声波元件10接收到反射波，则控制部20基于超声波的发送时刻至超声波的接收时刻的时间，算出超声波元件10至对象物的距离。
以下，对这样的距离测量装置1的结构进行具体说明。
超声波元件10的结构
图2是示意性地示出超声波元件10的概要的俯视图。
如图2所示，在超声波元件10中，沿着彼此交差的X方向和Y方向，以2维阵列状配置有多个超声波换能器50。此外，在图2中，例示了X方向和Y方向正交的情况。另外，在图2中，省略保护板45的图示。
在本实施方式中，由配置在Y方向的多个超声波换能器50构成1个信道的发送接收列元件组。另外，由于该1个信道的发送接收列元件组沿着Y方向并排配置有多个，从而构成1维阵列构造的超声波元件10。在此，将配置有超声波换能器50的区域设为阵列区域Ar。
此外，为便于说明，图2减少了超声波换能器50的配置数量，但实际上，配置有更多的超声波换能器50。
图3是示意性地示出以图2中的A-A线截断的超声波元件10的剖视图，图4是示意性地示出超声波元件10的概要的剖面立体图。
如图3和图4所示，超声波元件10构成为包括元件基板41、支承膜42、压电元件43、壁部44以及保护板45。
元件基板41的结构
元件基板41具有第一面411、以及与第一面411成为表里关系的第二面412，并且例如由Si等半导体基板构成。在本实施方式中，元件基板41在X方向上设置有多个Y方向上为长边的开口部41A。
各开口部41A是贯通元件基板41的第一面411至第二面412的贯通孔，在该贯通孔的第一面411侧设置有支承膜42。即，由支承膜42覆盖开口部41A的第一面411侧。此外，开口部41A也可以形成有用于抑制串扰的影响且填充有树脂等的振动抑制层。
在此，与元件基板41的支承膜42接合的部分是隔壁部41B，开口部41A是由隔壁部41B包围±X侧和±Y侧的四周而形成的。因此，±X侧的隔壁部41B在X方向上彼此对置，±Y侧的隔壁部41B在Y方向上彼此对置。
支承膜42的结构
支承膜42例如由SiO2及ZrO2的层叠体等构成，并且具有面对元件基板41的开口部41A的第三面421以及作为该第三面421的里面的第四面422。即，支承膜42由构成开口部41A的隔壁部41B支承，且覆盖开口部41A的第一面411侧。该支承膜42的厚度尺寸为相对于元件基板41为非常小的厚度尺寸。
保护板45的结构
保护板45具有加强元件基板41的功能。该保护板45形成为从厚度方向观察时的平面形状例如与元件基板41为相同形状，并由Si等半导体基板、或绝缘体基板构成。该保护板45设置有从与元件基板41对置的面朝向支承膜42突出的梁部451，并经由该梁部451通过粘合部件P与支承膜42接合。梁部451例如通过蚀刻等与保护板45形成为一体，在阵列区域Ar内设置成遍及±X侧端部之间。
壁部44的结构
在使支承膜42和梁部451接合的粘合部件P沿支承膜42的第四面422而流出的情况下，壁部44抑制粘合部件P到达压电元件43。在本实施方式中，粘合部件P从梁部451遍及至壁部44配置。由此，在梁部451和壁部44之间的区域，由于粘合部件P被固化，从而抑制支承膜42的振动。
另外，壁部44例如由树脂构成，在支承膜42的第四面422侧，在梁部451和压电元件43之间，通过蚀刻等被设置成朝向保护板45突出。这样的壁部44以X方向作为长边方向，并在Y方向设置有多个。在本实施方式中，壁部44在阵列区域Ar内形成为遍及±X侧端部之间。
在这样的结构中，在从第三面421朝向第四面422的膜厚方向进行俯视观察时，覆盖元件基板41的开口部41A的支承膜42由构成开口部41A的隔壁部41B的边缘452、以及壁部44的压电元件43侧的边缘441划分为作为多个振动区域的振动部423。
具体而言，在开口部41A的±Y侧端部，在支承膜42中，由向X方向延伸的1个隔壁部41B的边缘452、向Y方向延伸的1对隔壁部41B的彼此相对的2个边缘452、以及向X方向延伸的1个壁部44的边缘441所包围的区域成为振动部423。另外，在开口部41A的端部以外的部分，在支承膜42中，由向Y方向延伸的1对隔壁部41B的彼此相对的2个边缘452、以及向X方向延伸的1对壁部44的彼此相对的2个边缘441所包围的区域成为振动部423。
压电元件43的结构
在支承膜42的第四面422侧，压电元件43分别设置在各振动部423。该压电元件43例如由从支承膜42侧起依次层叠下部电极431、压电膜432以及上部电极433的层叠体构成。即，在从支承膜42的第三面421朝向第四面422的膜厚方向进行俯视观察时，压电元件43配置在支承膜42的与开口部41A重叠的区域。此外，下部电极431是第一电极的一例，上部电极433是第二电极的一例。
在这样的超声波换能器50中，通过在下部电极431和上部电极433之间施加预定频率的矩形波电压，即施加驱动信号，使压电膜432翘曲且振动部423振动，从而送出超声波。另外，若由于从被测体反射的超声波使振动部423振动，则在压电膜432的上下产生电位差。由此，通过检测在下部电极431和上部电极433之间所产生的电位差，能够检测接收的超声波。
在本实施方式中，如图2所示，下部电极431沿Y方向形成为直线状，并连接构成1个信道的发送接收列元件组的多个超声波换能器50。该下部电极431的两端部设置有驱动端子431A。
另外，上部电极433沿X方向形成为直线状，并连接在X方向上并排的超声波换能器50。并且，上部电极433的±Y侧端部连接至共通电极线433A。该共通电极线433A与X方向上配置有多个的各上部电极433之间进行接线，其端部设置有与电路基板电连接的共通端子433B。
该驱动端子431A和共通端子433B分别与驱动电路30连接，从驱动电路30对驱动端子431A输入驱动信号，对共通端子433B施加预定的共通电位，例如，施加-3V。
在从超声波元件10发送超声波时，如上，上部电极433被施加共通电位，且下部电极431被输入驱动信号。如图2所示，由于与各发送接收列元件组的每一个相对应地设置有驱动端子431A，因此能够对各发送接收列元件组独立地输如驱动信号。因此，通过选择从驱动电路30输入驱动信号的驱动端子431A，能够使各发送接收列元件组延迟驱动，或同时驱动，或个别驱动。
控制部20的结构
控制部20构成为包括使超声波元件10驱动的驱动电路30、以及运算部40。另外，控制部20除此之外也可以具备存储了用于控制距离测量装置1的各种数据或各种程序等的存储部。
驱动电路30是用于控制超声波元件10的驱动的驱动电路，例如，如图1所示，具备基准电位电路3、切换电路32、发送电路33以及接收电路34等。
基准电位电路31与超声波元件10的上部电极433的共通端子433B连接，且对上部电极433施加基准电位，例如施加-3V等。
切换电路32与配置在阵列区域Ar的各超声波换能器50的下部电极431的驱动端子431A、发送电路33以及接收电路34连接。该切换电路32由开关(Switching)电路构成，并切换连接各驱动端子431A的每一个和发送电路33的发送连接以及连接各驱动端子431A的每一个和接收电路34的接收连接，，。
发送电路33与切换电路32以及运算部40连接，在切换电路32被切换至发送连接时，基于运算部40的控制，向阵列区域Ar内的各超声波换能器50输出脉冲波形的驱动信号，并从超声波元件10发送超声波。
超声波元件10的制造方法
接下来，对如上的超声波元件10的制造方法进行说明。
图5是示出本实施方式中的超声波元件10的制造工序的概要的图。
如图5所示，为制造超声波元件10，首先要制造元件基板41和保护板45。
具体而言，将Si半导体基板的一面侧进行热氧化处理，使得在半导体基板的表面形成SiO2膜。进一步，在SiO2膜上形成Zr层，将这些进行热氧化处理以形成ZrO2层。由这些SiO2和ZrO2的层叠体形成支承膜42。并且，在支承膜42上形成压电元件43和壁部44，之后，通过将半导体基板的另一面侧进行蚀刻，从而形成具有开口部41A的元件基板41。
另外，通过将其他半导体基板进行蚀刻，形成具有梁部451的保护板45。
接下来，将粘合部件P转印至与梁部451的支承膜42对置的面，通过该粘合部件P将梁部451和支承膜42接合。
此时，如图5所示，即使粘合部件P沿支承膜42的第四面422流出，该粘合部件P也能够被壁部44挡住。即，粘合部件P配置在梁部451和壁部44之间。由此，由于能够抑制流出的粘合部件P到达压电元件43，因此能够抑制由于粘合部件P附着在压电元件43，导致压电元件43的振动特性变化。
本实施方式的作用效果
本实施方式的超声波元件10具备元件基板41，元件基板41具有第一面411和第二面412、贯通第一面411至第二面412的开口部41A、以及包围开口部41A的隔壁部41B。元件基板41的第一面411设置有支承膜42，支承膜42覆盖开口部41A，且具有面对开口部41A的第三面421和与第三面421成为表里关系的第四面422。支承膜42的第四面422通过粘合部件P接合有从保护板45朝向支承膜42突出的梁部451。并且，在支承膜42的第四面422中，在梁部451和压电元件43之间，设置有朝向保护板45突出的壁部44。由此，在将梁部451和支承膜42通过粘合部件P接合时，即使粘合部件P沿支承膜42的第四面422流出，粘合部件P也能够被壁部44挡住。因此，能够抑制流出的粘合部件P到达压电元件43，并能够抑制由于粘合部件P附着在压电元件43导致无法得到所期望声音特性。
在本实施方式中，粘合部件P从梁部451遍及至壁部44配置。
在此，在粘合部件P未到达壁部44，且停止在梁部451和壁部44之间的情况下，超声波换能器50的频率根据流出的粘合部件P的端部位置而变动。即，如粘合部件P固化，则由于支承膜42的振动被抑制，因此由未附着有粘合部件P的部分来决定超声波换能器50的频率特性。但是，在将梁部451粘合至支承膜42时，由微小的对准误差，使得梁部451和壁部44之间流出的粘合部件P的量变动。因此，各超声波换能器50的频率特性分别成为不同的特性。
对此，在本实施方式中，粘合部件P从梁部451遍及至壁部44配置，即，粘合部件P到达壁部44并被固化。由此，能够通过壁部44的边缘441规定振动区域，并能够使各超声波换能器50的频率特性为均一的。
第二实施方式
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。
在上述的第一实施方式中，示出了梁部451和支承膜42通过粘合部件P接合的例子。对此，在第二实施方式中，在将朝向梁部451突出的支承壁46设置在支承膜42的第四面422，且该支承壁46和梁部451通过粘合部件P接合这一点上与上述第一实施方式不同。
图6是示意性地示出第二实施方式的超声波元件10的剖视图。
如图6所示，在本实施方式中，支承膜42的第四面422侧形成有朝向梁部451突出的支承壁46。
支承壁46例如由树脂构成，并通过蚀刻等设置在支承膜42的第四面422侧。这样的支承壁46以X方向作为长边方向，并在Y方向上设置有多个。在本实施方式中，支承壁46在阵列区域Ar内形成为遍及±X侧端部之间。并且，支承壁46和梁部451通过粘合部件P接合。
在这样的结构中，在接合支承壁46和梁部451时，在粘合部件P流出的情况下，流出的粘合部件P顺着支承壁46的壁面移动，之后，沿支承膜42的第四面422移动后被壁部44挡住。即，流出的粘合部件P配置在支承壁46壁面且在支承壁46和壁部44之间。因此，能够更可靠地抑制流出的粘合部件P到达压电元件43。
本实施方式的作用效果
本实施方式的超声波元件10具备设置在支承膜42的第四面422且朝向梁部451突出的支承壁46。并且，该支承壁46和梁部451通过粘合部件P接合。在这种情况下，粘合部件P顺着支承壁46的壁面移动，之后，沿支承膜42的第四面422移动之后到达壁部44。因此，能够更可靠地抑制流出的粘合部件P流过壁部44而流至压电元件43侧。
第三实施方式
接下来，对本发明的第三实施方式进行说明。
在上述的第一实施方式和第二实施方式中，示出了在支承膜42的第四面422侧设置有朝向保护板45突出的壁部44的例子。对此，在第三实施方式中，在壁部44构成为作为下部电极连结布线431C的一部分这一点上与上述第一实施方式和第二实施方式不同。
图7是将第三实施方式的超声波元件10中的超声波换能器50中的1个进行放大的俯视图，图8是示意性地示出以图7中的B-B线截断的超声波元件10的剖视图。
如图7和图8所示，下部电极431连接有下部电极引出布线431B、下部电极连结布线431C以及下部电极连接布线431D。由此，各超声波换能器50的每一个的下部电极431经由下部电极引出布线431B、下部电极连结布线431C以及下部电极连接布线431D进行电连接。
下部电极引出布线431B由导电性材料形成，从下部电极431向+Y方向和-Y方向延伸。
下部电极连结布线431C由导电性材料形成，与下部电极引出布线431B和下部电极连接布线431D连接。下部电极连结布线431C在各压电元件43的+Y侧和-Y侧，向X方向延伸，即，配置成在Y方向上夹着压电元件43而彼此对置的状态。另外，下部电极连结布线431C构成为捆扎了多个布线的布线束。在本实施方式中，下部电极连结布线431C是通过捆扎3根布线而构成的。
下部电极连接布线431D由导电性材料形成，与下部电极连结布线431C连接。下部电极连接布线431D构成为捆扎了多个布线的布线束，在本实施方式中，通过捆扎3根布线而构成。另外，下部电极连接布线431D在±Y方向的端部与驱动端子431A连接。
另外，如图8所示，在从X方向观察的剖视图中，在由3根布线构成的下部电极连结布线431C中，配置在±Y方向的两侧的下部电极连结布线431C配置在梁部451和压电元件43之间。由此，在将梁部451和支承膜42通过粘合部件P接合时，即使粘合部件P沿支承膜42的第四面422流出，粘合部件P也能够被下部电极连结布线431C挡住。像这样，在本实施方式中，挡住流出的粘合部件P的壁部44构成为作为下部电极连结布线431C的一部分。即，下部电极连结布线431C是旁路布线的一例。
本实施方式的作用效果
在本实施方式的超声波元件10中，压电元件43具有从支承膜42层叠的下部电极431、压电膜432以及上部电极433。并且，配置在梁部451和压电元件43之间，且与下部电极431电连接的下部电极连结布线431C的一部分构成为作为壁部44。由此，例如，不进行通过蚀刻树脂等设置壁部44，也能够抑制流出的粘合部件P到达压电元件43，因此能够容易地进行超声波元件10的制造。
变形例
此外，本发明不限定于上述的各实施方式，能够达成本发明的目的范围内的变形，改良，以及通过将各实施方式进行适当地组合等而得到的结构均包括在本发明中。
在上述第一实施方式和第二实施方式中，示出了压电元件43设置在支承膜42的第四面422侧的例子，但不限定于此。例如，压电元件43也可以设置在支承膜42的第三面421侧。
在上述第三实施方式中，示出了下部电极连结布线431C的一部分构成为作为壁部44的例子，但不限定于此。
图9是将变形例的超声波元件10中的超声波换能器50进行放大的俯视图，图10是示意性地示出以图9中的C-C线截断的超声波元件10的剖视图。
例如，如图9和图10所示，上部电极433也可以与上部电极引出布线433C和上部电极连接布线433D连接。并且，上部电极连接布线433D由导电性材料形成，并构成为3根布线被捆扎的布线束，在从Y方向进行剖视观察时，配置在±X方向的两侧的上部电极连接布线433D配置在梁部451和压电元件43之间。另外，同样地，由3根布线构成的下部电极连接布线431D中，配置在±X方向的两侧的下部电极连接布线431D配置在梁部451和压电元件43之间。即，挡住流出的粘合部件P的壁部44也可以构成为作为旁路布线的上部电极连接布线433D和下部电极连接布线431D的一部分。
在上述各实施方式中，例示了在阵列区域Ar内，梁部451被设置成遍及±X侧端部之间的结构，但不限定于此。
即，只要是在X方向设置的多个开口部41A中，跨涉预定数量的开口部41A并在X方向上设置为长边的结构即可。
例如，也可以是从配置在1个开口部41A的-X侧的隔壁部41B遍及至配置在该开口部41A的+X侧的隔壁部41B而设置梁部451的结构。在这种情况下为相对于X方向设置有多个梁部451的结构。
在上述各实施方式中，例示了距离测量装置1作为超声波装置的一例，但不限定于此。例如，也能够适用于根据超声波的发送接收结果，测量构造体的内部断层像的超声波测量装置等。
除此之外，关于本发明的实施时的具体的构造，在能够达成本发明的目的的范围内可以通过将上述各实施方式和变形例进行适当地组合而构成，也可以适当地变更为其他的构造等。

Claims (5)

1.一种超声波元件，其特征在于，具备：
元件基板，具有第一面、与第一面成为表里关系的第二面、贯通第一面至第二面的开口部以及包围开口部的隔壁部；
支承膜，设置在元件基板的第一面且覆盖开口部，并具有面对开口部的第三面以及与第三面成为表里关系的第四面；
压电元件，设置在支承膜，在从第三面朝向第四面的膜厚方向进行俯视观察时，配置在支承膜的与开口部重叠的区域；
保护板，设置成与支承膜的第四面对置，通过粘合部件经由朝向支承膜突出的梁部接合至支承膜；以及
壁部，设置在支承膜的第四面，在梁部和压电元件之间设置成朝向保护板突出。
2.根据权利要求1的超声波元件，其特征在于，
粘合部件从梁部遍及至壁部配置。
3.根据权利要求1的超声波元件，其特征在于，
超声波元件具备设置在支承膜的第四面并朝向梁部突出的支承壁，
梁部和支承壁通过粘合部件接合。
4.根据权利要求1的超声波元件，其特征在于，
超声波元件具备与压电元件连接的旁路布线，
壁部由旁路布线的一部分构成。
5.一种超声波装置，其特征在于，具备：
权利要求1至4中任一项的超声波元件；以及
对所述压电元件输入驱动信号的驱动电路。
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