JP2002271897A - 超音波変換器のアレイ - Google Patents
超音波変換器のアレイInfo
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Classifications
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- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
- H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
-
- H—ELECTRICITY
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-
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- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead based oxides
-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は、高い圧電結合係数ｋの圧電層を有す
る改善された超音波変換器を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 本発明は、基板（１）と、膜（２）と、
第１の電極（４）と、圧電層（５）と、第２の電極
（６）とを夫々有する超音波変換器のアレイに関わり、
基板（１）は、膜（２）と一つの側において隣り合う少
なくとも一つの開口部（３）を有し、圧電層（５）は高
い圧電結合係数ｋを有しテクスチャされている。本発明
は、超音波変換器、及び、超音波変換器のアレイを製造
する方法に更に関わる。
る改善された超音波変換器を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 本発明は、基板（１）と、膜（２）と、
第１の電極（４）と、圧電層（５）と、第２の電極
（６）とを夫々有する超音波変換器のアレイに関わり、
基板（１）は、膜（２）と一つの側において隣り合う少
なくとも一つの開口部（３）を有し、圧電層（５）は高
い圧電結合係数ｋを有しテクスチャされている。本発明
は、超音波変換器、及び、超音波変換器のアレイを製造
する方法に更に関わる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、基板と、膜と、第
１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々が有し、上
記基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開
口部を有する超音波変換器のアレイに関わる。本発明
は、更に、超音波変換器、及び、超音波変換器を製造す
る方法に関わる。
１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々が有し、上
記基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開
口部を有する超音波変換器のアレイに関わる。本発明
は、更に、超音波変換器、及び、超音波変換器を製造す
る方法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】超音波の生成は、純粋に機械的手段、又
は、磁気ひずみ或いは圧電効果を利用する電気音響変換
器を用いて行われる。超音波は、今日では技術的に容易
に実現できるため、幅広く使用されている。従って、超
音波は、医学診断又は非破壊材料試験において画像を生
成するために使用される。
は、磁気ひずみ或いは圧電効果を利用する電気音響変換
器を用いて行われる。超音波は、今日では技術的に容易
に実現できるため、幅広く使用されている。従って、超
音波は、医学診断又は非破壊材料試験において画像を生
成するために使用される。
【０００３】最も幅広く使用されている電気音響変換器
は、圧電効果に基づいている。実際、一次元の又は二次
元のアレイシステムが単一の変換器システムに加えて最
も使用されている。二次元アレイシステムは、三次元画
像を表示することに関して特に好ましい。
は、圧電効果に基づいている。実際、一次元の又は二次
元のアレイシステムが単一の変換器システムに加えて最
も使用されている。二次元アレイシステムは、三次元画
像を表示することに関して特に好ましい。
【０００４】音響変換器における圧電素子の励起は、数
ｋＨｚ乃至数ＭＨｚの周波数でＡＣ場において、又は、
特に画像生成のいずれかにおいて、数ＭＨｚの基礎周波
数及び１００％までの相対帯域幅の短い発振バーストに
よって行われる。場の方向における圧電素子の往復運動
は、例えば、水又は生物学的組織のような結合された媒
体中で連続的な又は脈打つ超音波を生成する。組織の密
度に依存して変化する反射、及び、路の長さと共に変化
するスループット時間は、医学診断における画像生成の
ために利用される。
ｋＨｚ乃至数ＭＨｚの周波数でＡＣ場において、又は、
特に画像生成のいずれかにおいて、数ＭＨｚの基礎周波
数及び１００％までの相対帯域幅の短い発振バーストに
よって行われる。場の方向における圧電素子の往復運動
は、例えば、水又は生物学的組織のような結合された媒
体中で連続的な又は脈打つ超音波を生成する。組織の密
度に依存して変化する反射、及び、路の長さと共に変化
するスループット時間は、医学診断における画像生成の
ために利用される。
【０００５】圧電超音波変換器は、今日では圧電セラミ
ックブロックから製造されている。正確に定められた寸
法を有し、上側及び下側に電極のある圧電セラミックブ
ロックは、実装予備的形成品においてアレイに取り付け
られる。
ックブロックから製造されている。正確に定められた寸
法を有し、上側及び下側に電極のある圧電セラミックブ
ロックは、実装予備的形成品においてアレイに取り付け
られる。
【０００６】これら従来のシステムの不都合な点は、制
御回路が別個で構成され、システム中に組み込まれ得な
い点である。
御回路が別個で構成され、システム中に組み込まれ得な
い点である。
【０００７】より安価な超音波変換器アレイシステム
は、いわゆる圧電マイクロマシン超音波変換器（ＰＭＵ
Ｔ）によって形成される。圧電超音波変換器のアレイ
は、シリコン上に直接的に設けられる。このような超音
波変換器は、シリコン基板以外に第１の電極、圧電層、
及び、第２の電極が設けられる膜を有する。膜は、開口
部が形成されるようシリコンをエッチングすることを通
じて簡単に得られ得る。圧電素子の長さにおける変化
は、膜を振動させるように励起させる。このような超音
波変換器のアレイを製造するためには、一つのシリコン
基板上に幾つかの膜を形成するよう幾つかの開口部が生
成される。
は、いわゆる圧電マイクロマシン超音波変換器（ＰＭＵ
Ｔ）によって形成される。圧電超音波変換器のアレイ
は、シリコン上に直接的に設けられる。このような超音
波変換器は、シリコン基板以外に第１の電極、圧電層、
及び、第２の電極が設けられる膜を有する。膜は、開口
部が形成されるようシリコンをエッチングすることを通
じて簡単に得られ得る。圧電素子の長さにおける変化
は、膜を振動させるように励起させる。このような超音
波変換器のアレイを製造するためには、一つのシリコン
基板上に幾つかの膜を形成するよう幾つかの開口部が生
成される。
【０００８】このような超音波変換器は、ＵＳ５，９５
６，２９２から公知である。圧電層のために使用される
材料は、例えば、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ４、Ｐｂ
Ｚｒ ｘＴｉ１−ｘＯ３（Ｏ＜ｘ＜１）、ＢａＴｉＯ３、
又は、ＳｒＴｉＯ３のようなセラミック材料である。
６，２９２から公知である。圧電層のために使用される
材料は、例えば、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ４、Ｐｂ
Ｚｒ ｘＴｉ１−ｘＯ３（Ｏ＜ｘ＜１）、ＢａＴｉＯ３、
又は、ＳｒＴｉＯ３のようなセラミック材料である。
【０００９】しかしながら、広帯域周波数適用に関し
て、特に高い圧電結合係数ｋの材料が要求される。
て、特に高い圧電結合係数ｋの材料が要求される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、高
い圧電結合係数ｋの圧電層を有する改善された超音波変
換器を提供することを目的とする。
い圧電結合係数ｋの圧電層を有する改善された超音波変
換器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この目的は、基板と、膜
と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有
し、上記基板が、膜と一つの側で隣り合う開口部を少な
くとも一つ有する超音波変換器のアレイを用いて実現さ
れ、このとき上記圧電層はテクスチャ表面である。
と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有
し、上記基板が、膜と一つの側で隣り合う開口部を少な
くとも一つ有する超音波変換器のアレイを用いて実現さ
れ、このとき上記圧電層はテクスチャ表面である。
【００１２】多結晶圧電層と比較して圧電層をテクスチ
ャリングすることを通じて圧電結合係数ｋが明らかに増
加される。
ャリングすることを通じて圧電結合係数ｋが明らかに増
加される。
【００１３】圧電層は、単結晶層であることが好まし
い。
い。
【００１４】圧電層が単結晶層によって形成される場
合、完全に理想的なテクスチャ模様が得られる。
合、完全に理想的なテクスチャ模様が得られる。
【００１５】一つの電極の材料がテクスチャされている
ことも更に好ましい。
ことも更に好ましい。
【００１６】テクスチャ構造の電極上に圧電層を製造す
ることは、圧電層の材料をテクスチャ構造で提供するこ
とを可能にする。
ることは、圧電層の材料をテクスチャ構造で提供するこ
とを可能にする。
【００１７】圧電層は、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓ
ｒ、Ｎｉのドープ剤又はこれらドープ剤の組み合せを有
する、及び、有しない
ｒ、Ｎｉのドープ剤又はこれらドープ剤の組み合せを有
する、及び、有しない
【００１８】
【表２】 から成る群から選択される材料を有することが特に好ま
しい。
しい。
【００１９】障壁層が圧電層に面する、基板の側に設け
られることが有利である。
られることが有利である。
【００２０】この障壁層は、変換器の処理中、膜とその
上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
【００２１】第１の及び第２の電極が圧電層の両端に配
置されることが好ましい。
置されることが好ましい。
【００２２】電極を圧電層の両端に配置することによ
り、圧電層のポールされた動作が可能となる。
り、圧電層のポールされた動作が可能となる。
【００２３】電極が圧電層の同じ表面上に配置されるこ
とも好ましい。
とも好ましい。
【００２４】少なくとも一つの更なる電極が第１の電極
と第２の電極との間に配置されることが更に好ましい。
と第２の電極との間に配置されることが更に好ましい。
【００２５】変換器の電気インピーダンスは、この電極
配置によって減少される。
配置によって減少される。
【００２６】少なくとも２つの電極が同じ極性を有し、
少なくとも一つの電極が反対の極性を有することが有利
であり、同じ極性の電極は並列に結合される。
少なくとも一つの電極が反対の極性を有することが有利
であり、同じ極性の電極は並列に結合される。
【００２７】これにより変換器の電気インピーダンスが
減少される。
減少される。
【００２８】電極が同心環を形成することが好ましい。
【００２９】本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、膜と
一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超
音波変換器のアレイに関わり、このアレイは膜の圧電層
に面する側に障壁層が設けられることを特徴とする。
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、膜と
一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超
音波変換器のアレイに関わり、このアレイは膜の圧電層
に面する側に障壁層が設けられることを特徴とする。
【００３０】この障壁層は、変換器の処理中、膜とその
上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
【００３１】一方の電極が障壁層上に形成されるテクス
チャ構造の電極であることが好ましい。
チャ構造の電極であることが好ましい。
【００３２】障壁層が膜の層の曲げ剛性よりも小さい曲
げ剛性を有することが更に好ましい。
げ剛性を有することが更に好ましい。
【００３３】変換器の中立面と圧電層との間の距離が圧
電層の厚さよりも大きいことが有利である。
電層の厚さよりも大きいことが有利である。
【００３４】この対策により、有効な結合係数が高めら
れる。
れる。
【００３５】障壁層が圧電層の厚さよりも厚いことが更
に有利である。
に有利である。
【００３６】本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つ
の側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波
変換器に更に関わり、上記圧電層はテクスチャ構造の層
である。
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つ
の側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波
変換器に更に関わり、上記圧電層はテクスチャ構造の層
である。
【００３７】本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つ
の側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波
変換器のアレイを製造する方法に更に関わり、このとき
上記圧電層はテクスチャ構造で製造される。
圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つ
の側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波
変換器のアレイを製造する方法に更に関わり、このとき
上記圧電層はテクスチャ構造で製造される。
【００３８】
【発明の実施の形態】本発明は、図面及び１０の実施例
を参照して以下に詳細に説明する。
を参照して以下に詳細に説明する。
【００３９】図１において、超音波変換器の可能な実施
例は、例えば、シリコン、（１００）配向又は（１１
１）配向を有するシリコン、（１００）配向を有するＭ
ｇＯ、ＬａＡｌＯ３、サファイア、ＧａＡｓ、例えば、
ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３のようなセラミック材料、例
えば、平坦化層を夫々有するＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３
のようなセラミック材料、ガラスセラミック材料、又
は、ガラス材料を有し得る基板１を含む。無機材料、有
機材料、又は、無機及び有機材料の組み合せを有し得る
膜２が基板１に設けられる。使用される無機材料は、例
えば、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、多結晶シリコン、Ｓｉ
３Ｎ４、又は、これら材料から成る積層システムでもよ
い。少なくとも一つの開口部３がエッチング又はスタン
ピングを手段として基板１に形成される。開口部３は、
膜２と一つの側で隣り合う。開口部３上にある膜２は、
この開口部により振動することが可能である。基板１
が、配向、例えば、（１００）配向を有するＭｇＯの材
料を有する場合、開口部３が基板１を完全に通らず、薄
層が残留し膜２を形成することが好ましくなり得る。
例は、例えば、シリコン、（１００）配向又は（１１
１）配向を有するシリコン、（１００）配向を有するＭ
ｇＯ、ＬａＡｌＯ３、サファイア、ＧａＡｓ、例えば、
ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３のようなセラミック材料、例
えば、平坦化層を夫々有するＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３
のようなセラミック材料、ガラスセラミック材料、又
は、ガラス材料を有し得る基板１を含む。無機材料、有
機材料、又は、無機及び有機材料の組み合せを有し得る
膜２が基板１に設けられる。使用される無機材料は、例
えば、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、多結晶シリコン、Ｓｉ
３Ｎ４、又は、これら材料から成る積層システムでもよ
い。少なくとも一つの開口部３がエッチング又はスタン
ピングを手段として基板１に形成される。開口部３は、
膜２と一つの側で隣り合う。開口部３上にある膜２は、
この開口部により振動することが可能である。基板１
が、配向、例えば、（１００）配向を有するＭｇＯの材
料を有する場合、開口部３が基板１を完全に通らず、薄
層が残留し膜２を形成することが好ましくなり得る。
【００４０】第１の電極４は、膜２の上にあり、この電
極は、例えば、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有する
Ｐｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃
至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍ
の層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚
さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴ
ｉ、
極は、例えば、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有する
Ｐｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃
至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍ
の層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚
さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴ
ｉ、
【００４１】
【表３】 を有する。圧電層５は、第１の電極４に設けられる。圧
電層５の層の厚さは、１乃至５０μｍであることが好ま
しい。より高い帯域幅を実現するためには、高い圧電結
合係数ｋの材料が圧電層５に使用される。第２の電極６
が圧電層５に設けられ、この電極は、例えば、Ａｌ、Ｓ
ｉでドーピングされたＡｌ、ＣｕでドーピングされたＡ
ｌ、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃
至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎ
ｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さ
を有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有する
Ｐｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ、
電層５の層の厚さは、１乃至５０μｍであることが好ま
しい。より高い帯域幅を実現するためには、高い圧電結
合係数ｋの材料が圧電層５に使用される。第２の電極６
が圧電層５に設けられ、この電極は、例えば、Ａｌ、Ｓ
ｉでドーピングされたＡｌ、ＣｕでドーピングされたＡ
ｌ、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃
至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎ
ｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さ
を有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有する
Ｐｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ、
【００４２】
【表４】 を有する。図に示す以外の代替の実施例では、電極４、
６は、圧電層５の横方向のポール動作のために圧電層５
の横の両端に配置されてもよい。変換器の電気インピー
ダンスを減少するために、更なる電極が圧電層５の端の
間で横方向に分散されてもよい。例えば、４つの電極が
圧電層５の横の表面にわたって別個の位置で形成されて
もよく、このとき交流の極性を有する交番電極、及び、
同じ極性を有する電極は減少された電気インピーダンス
のために並列して結合される。
６は、圧電層５の横方向のポール動作のために圧電層５
の横の両端に配置されてもよい。変換器の電気インピー
ダンスを減少するために、更なる電極が圧電層５の端の
間で横方向に分散されてもよい。例えば、４つの電極が
圧電層５の横の表面にわたって別個の位置で形成されて
もよく、このとき交流の極性を有する交番電極、及び、
同じ極性を有する電極は減少された電気インピーダンス
のために並列して結合される。
【００４３】膜２と第１の電極４との間に障壁層７が設
けられることも有利である。この障壁層７は、膜２とそ
の上にある層、例えば、第１の電極４又は圧電層５との
間の可能な化学的相互作用を防止する。障壁層７は、例
えば、Ａｌ２O３、ＺｒＯ２、ＴｉO２、ＨｆＯ２、Ｍｇ
Ｏ、又は、ＬａＡｌＯ３、並びに幾つかのこれら材料の
合成物を有してもよい。更に、テクスチャ構造の電極が
障壁層７上に容易に形成され得る。障壁層７は、膜の層
の曲げ剛性よりも実質的に少ない曲げ剛性を有すること
が好ましい。この特性は、障壁層７の厚さと共に、変換
器の中立面と圧電層５との間の距離を圧電層５の厚さよ
りも幾らか大きくすることを可能にし、変換器の有効な
結合係数を改善する。障壁層７が圧電層５よりも厚いこ
とが好ましい。
けられることも有利である。この障壁層７は、膜２とそ
の上にある層、例えば、第１の電極４又は圧電層５との
間の可能な化学的相互作用を防止する。障壁層７は、例
えば、Ａｌ２O３、ＺｒＯ２、ＴｉO２、ＨｆＯ２、Ｍｇ
Ｏ、又は、ＬａＡｌＯ３、並びに幾つかのこれら材料の
合成物を有してもよい。更に、テクスチャ構造の電極が
障壁層７上に容易に形成され得る。障壁層７は、膜の層
の曲げ剛性よりも実質的に少ない曲げ剛性を有すること
が好ましい。この特性は、障壁層７の厚さと共に、変換
器の中立面と圧電層５との間の距離を圧電層５の厚さよ
りも幾らか大きくすることを可能にし、変換器の有効な
結合係数を改善する。障壁層７が圧電層５よりも厚いこ
とが好ましい。
【００４４】電圧は、第１の電流供給接触部８及び第２
の電流供給接触９を通じて圧電層５に印加され得、各電
流供給接触部は夫々の電極４、６に接続され、圧電層５
は従って振動され得る。圧電層５が音響エネルギーによ
って励起される場合、結果となる電圧は、第１の及び第
２の電流供給接触部８、９を通じて切断され、測定され
得る。
の電流供給接触９を通じて圧電層５に印加され得、各電
流供給接触部は夫々の電極４、６に接続され、圧電層５
は従って振動され得る。圧電層５が音響エネルギーによ
って励起される場合、結果となる電圧は、第１の及び第
２の電流供給接触部８、９を通じて切断され、測定され
得る。
【００４５】有機材料又は無機材料、或いは、それら材
料の組み合せの保護層は、超音波変換器全体にわたって
設けられてもよい。使用される有機材料は、例えば、ポ
リベンゾシクロブテン又はポリイミドでもよく、無機材
料は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、又はＳｉｘＯｙ
Ｎｚ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）でもよ
い。
料の組み合せの保護層は、超音波変換器全体にわたって
設けられてもよい。使用される有機材料は、例えば、ポ
リベンゾシクロブテン又はポリイミドでもよく、無機材
料は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、又はＳｉｘＯｙ
Ｎｚ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）でもよ
い。
【００４６】圧電層５中の材料は、高い圧電結合係数ｋ
を実現するために好ましくはカラム型成長でテクスチャ
される。テクスチャ構造の圧電層５中の圧電材料の結晶
は、外部のサンプリング幾何学に対して好ましい方向を
有し、夫々の結晶学的向きに関して互いに対して統計的
にランダムに配置されていない。
を実現するために好ましくはカラム型成長でテクスチャ
される。テクスチャ構造の圧電層５中の圧電材料の結晶
は、外部のサンプリング幾何学に対して好ましい方向を
有し、夫々の結晶学的向きに関して互いに対して統計的
にランダムに配置されていない。
【００４７】テクスチャ構造の圧電層５は、例えば、ゾ
ル・ゲル処理、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成
長）処理、又は、印刷技法のような薄膜処理を用いて実
現されてもよい。圧電層５は、予め焼結され機械的に処
理された圧電材料の層を結合又は接着することで第１の
電極４上に設けられてもよい。
ル・ゲル処理、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成
長）処理、又は、印刷技法のような薄膜処理を用いて実
現されてもよい。圧電層５は、予め焼結され機械的に処
理された圧電材料の層を結合又は接着することで第１の
電極４上に設けられてもよい。
【００４８】更なる代替物はいわゆるテンプレート・グ
レイン成長（ＤＧＧ）方法によって形成される。この方
法では、多結晶層が単結晶テンプレート上に設けられ
る。多結晶層は、高温で加熱することでテクスチャ構造
の単結晶層に変換される。
レイン成長（ＤＧＧ）方法によって形成される。この方
法では、多結晶層が単結晶テンプレート上に設けられ
る。多結晶層は、高温で加熱することでテクスチャ構造
の単結晶層に変換される。
【００４９】圧電層５に使用され得る材料は、例えば、
強誘電体、電気歪材料、並びに特別な圧電材料である。
従って、例えば、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉ
のドープ剤又はこれらドープ剤の組み合せを有する、及
び、有しない
強誘電体、電気歪材料、並びに特別な圧電材料である。
従って、例えば、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉ
のドープ剤又はこれらドープ剤の組み合せを有する、及
び、有しない
【００５０】
【表５】 が圧電層５に使用されてもよい。
【００５１】方向付けられた第１の電極４、テクスチャ
構造の障壁層７、又は、テクスチャ構造の膜２上への圧
電層５の構成された堆積は、圧電層５のテクスチャ構造
に影響を与えることができる。
構造の障壁層７、又は、テクスチャ構造の膜２上への圧
電層５の構成された堆積は、圧電層５のテクスチャ構造
に影響を与えることができる。
【００５２】従って、熱的に予熱されていない（１１
１）配向を有するＰｔの第１の電極４を用いることで
（１１１）配向を有する圧電層を成長することができ
る。（１１１）配向を有するＰｔの熱的に予熱された第
１の電極を使用することで、（１００）及び（１１１）
配向、又は、（１００）配向だけの圧電層を成長するこ
とが可能となる。
１）配向を有するＰｔの第１の電極４を用いることで
（１１１）配向を有する圧電層を成長することができ
る。（１１１）配向を有するＰｔの熱的に予熱された第
１の電極を使用することで、（１００）及び（１１１）
配向、又は、（１００）配向だけの圧電層を成長するこ
とが可能となる。
【００５３】（１１１）配向を有するＰｔの熱的に予熱
された第１の電極４上に堆積する以外に圧電層５の材料
の成長に影響を与える別の方法が使用されてもよい。
された第１の電極４上に堆積する以外に圧電層５の材料
の成長に影響を与える別の方法が使用されてもよい。
【００５４】膜２又は（１００）配向を有するＭｇＯの
障壁層７を使用することは、（１００）配向を有するＰ
ｔを第１の電極４として成長することを可能にする。結
果として、上記圧電材料は、テクスチャ構造の層の形態
でテクスチャ構造の第１の電極４上で成長され得る。
障壁層７を使用することは、（１００）配向を有するＰ
ｔを第１の電極４として成長することを可能にする。結
果として、上記圧電材料は、テクスチャ構造の層の形態
でテクスチャ構造の第１の電極４上で成長され得る。
【００５５】圧電層５のテクスチャは、例えば、レーザ
アニーリングのような更なる処理を通じて単結晶状態の
方に更に改善され得る。
アニーリングのような更なる処理を通じて単結晶状態の
方に更に改善され得る。
【００５６】圧電層５の成長、結晶度、及び配向を改善
するためには、第１の電極４上に核生成された層が設け
られてもよい。
するためには、第１の電極４上に核生成された層が設け
られてもよい。
【００５７】圧電結合係数ｋを高める更なる可能性は、
圧電層５におけるセラミック材料を極性化することであ
る。セラミック材料は、第１の及び第２の電極４、６に
バイアス電圧を印加することを通じて場の方向に分極さ
れ得る。
圧電層５におけるセラミック材料を極性化することであ
る。セラミック材料は、第１の及び第２の電極４、６に
バイアス電圧を印加することを通じて場の方向に分極さ
れ得る。
【００５８】図１に示す超音波変換器の実施例では、第
１の電極４は、圧電層５の下に配置され、第２の電極６
は圧電層５の上に配置される。第１の及び第２の電流供
給接触部８、９を通じて電極４、６にＡＣ電圧を印加す
ることは、圧電層５を縦方向又は層の厚さに対して垂直
な横方向に振動するように励起させる。
１の電極４は、圧電層５の下に配置され、第２の電極６
は圧電層５の上に配置される。第１の及び第２の電流供
給接触部８、９を通じて電極４、６にＡＣ電圧を印加す
ることは、圧電層５を縦方向又は層の厚さに対して垂直
な横方向に振動するように励起させる。
【００５９】或いは、電極４、６は、圧電層５の一つの
側、例えば、膜２と反対側にだけ構成された方法で設け
られてもよい。この場合、ＡＣ電圧を印加することは、
層の面において圧電層５を縦方向に振動にさせるように
励起させる。核生成層は、この場合、成長、結晶度、及
び配向のために障壁層７に設けられてもよい。
側、例えば、膜２と反対側にだけ構成された方法で設け
られてもよい。この場合、ＡＣ電圧を印加することは、
層の面において圧電層５を縦方向に振動にさせるように
励起させる。核生成層は、この場合、成長、結晶度、及
び配向のために障壁層７に設けられてもよい。
【００６０】或いは、基板１は、その背面側にＳｉＯ２
又はＳｉ３Ｎ４、或いは、これら材料の組み合せの絶縁
層を有してもよい。
又はＳｉ３Ｎ４、或いは、これら材料の組み合せの絶縁
層を有してもよい。
【００６１】複数のこのような超音波変換器が基板１上
に設けられてもよい。超音波変換器の一次元の又は二次
元のアレイは、個々の超音波変換器の適切な電気接続を
通じて製造され得る。圧電層５と、第１の及び第２の電
極４、６と、存在するならば核生成層とは、個々の超音
波変換器が互いから空間的に分離されるようにしてこの
場合構成される。
に設けられてもよい。超音波変換器の一次元の又は二次
元のアレイは、個々の超音波変換器の適切な電気接続を
通じて製造され得る。圧電層５と、第１の及び第２の電
極４、６と、存在するならば核生成層とは、個々の超音
波変換器が互いから空間的に分離されるようにしてこの
場合構成される。
【００６２】膜２は、超音波変換器のアレイを製造する
ために基板１上に形成される。この目的のために、適切
な材料の層が基板１上に堆積されてもよい。開口部３
は、エッチング処理を手段として基板１中に形成されて
もよく、この開口部は、基板１を完全に通り、膜によっ
て一つの側に境界が付けられる。
ために基板１上に形成される。この目的のために、適切
な材料の層が基板１上に堆積されてもよい。開口部３
は、エッチング処理を手段として基板１中に形成されて
もよく、この開口部は、基板１を完全に通り、膜によっ
て一つの側に境界が付けられる。
【００６３】或いは、例えば、基板１は、部分的にだけ
エッチングされ、それにより薄層が残留し、膜２とな
る。
エッチングされ、それにより薄層が残留し、膜２とな
る。
【００６４】障壁層７は、膜２上に設けられてもよい。
第１の電極４は、開口部３が存在する基板の全ての場所
において適用可能であれば膜２又は障壁層７に設けられ
る。テクスチャ構造の圧電層５は、各第１の電極４上に
設けられ、第２の電極６は各圧電層５の上に設けられ
る。第１の及び第２の電極４、６には、第１の及び第２
の電流供給接触８、９が夫々設けられる。
第１の電極４は、開口部３が存在する基板の全ての場所
において適用可能であれば膜２又は障壁層７に設けられ
る。テクスチャ構造の圧電層５は、各第１の電極４上に
設けられ、第２の電極６は各圧電層５の上に設けられ
る。第１の及び第２の電極４、６には、第１の及び第２
の電流供給接触８、９が夫々設けられる。
【００６５】或いは、開口部３は、膜２の中に部分的に
延在してもよい。この目的のためには、開口部３の相互
に対向する領域にある膜２の一部分は、例えば、エッチ
ング又はスパッタリングを通じて除去される。膜２の共
振振動数及び音響インピーダンスは、この対策によって
音響的に振動されるよう媒体に適合され得る。
延在してもよい。この目的のためには、開口部３の相互
に対向する領域にある膜２の一部分は、例えば、エッチ
ング又はスパッタリングを通じて除去される。膜２の共
振振動数及び音響インピーダンスは、この対策によって
音響的に振動されるよう媒体に適合され得る。
【００６６】図２は、超音波変換器の更なる実施例を示
す。本実施例では、開口部３の相互に対向する領域にあ
る膜２の一部分が例えば、エッチング又はスパッタリン
グを手段として除去される。更に、例えば、障壁層７、
第１の電極４、圧電層５、及び、第２の電極６のような
膜２の上にある層の幅は、最大でも開口部３と隣り合う
膜２の領域位の幅である。層は、従って、図２に対して
垂直にとられる断面で基板１に接続されている。
す。本実施例では、開口部３の相互に対向する領域にあ
る膜２の一部分が例えば、エッチング又はスパッタリン
グを手段として除去される。更に、例えば、障壁層７、
第１の電極４、圧電層５、及び、第２の電極６のような
膜２の上にある層の幅は、最大でも開口部３と隣り合う
膜２の領域位の幅である。層は、従って、図２に対して
垂直にとられる断面で基板１に接続されている。
【００６７】セラミック材料の基板１を有する超音波変
換器の製造は、代替の方法で行われてもよい。このため
には、最初に基板１が例えば、ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ
３のようなセラミックパウダー、及び有機結合剤からフ
ィルムキャスティング処理において製造される。開口部
は、超音波変換器のアレイに対して要求される数におい
てスタンピング処理で基板１中に形成される。このとき
基板は、セラミック材料のフィルムで完全に覆われ、ラ
ミネートされ、焼結される。第１の電極４は、開口部３
がある基板１中の全ての場所において焼結された膜２の
上に設けられる。核生成層、例えば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ
１２を有する核生成層は、各電極４に設けられる。核生
成層は、第１の電極４を部分的に、好ましくはその１０
％を覆う。このとき圧電層５のセラミック材料が核生成
層上に、好ましくは厚フィルム処理で設けられ、１２７
５℃でテクスチャ構造で焼結される。圧電層５において
どの配向が存在するかは、セラミック材料の正確な組成
及びドーピングに依存する。最後に、第２の電極６は、
核圧電層５上に設けられ、各電極４、６は夫々の電流供
給接触部８、９を具備する。
換器の製造は、代替の方法で行われてもよい。このため
には、最初に基板１が例えば、ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ
３のようなセラミックパウダー、及び有機結合剤からフ
ィルムキャスティング処理において製造される。開口部
は、超音波変換器のアレイに対して要求される数におい
てスタンピング処理で基板１中に形成される。このとき
基板は、セラミック材料のフィルムで完全に覆われ、ラ
ミネートされ、焼結される。第１の電極４は、開口部３
がある基板１中の全ての場所において焼結された膜２の
上に設けられる。核生成層、例えば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ
１２を有する核生成層は、各電極４に設けられる。核生
成層は、第１の電極４を部分的に、好ましくはその１０
％を覆う。このとき圧電層５のセラミック材料が核生成
層上に、好ましくは厚フィルム処理で設けられ、１２７
５℃でテクスチャ構造で焼結される。圧電層５において
どの配向が存在するかは、セラミック材料の正確な組成
及びドーピングに依存する。最後に、第２の電極６は、
核圧電層５上に設けられ、各電極４、６は夫々の電流供
給接触部８、９を具備する。
【００６８】或いは、他の方法がテクスチャ構造の圧電
層５を製造するために使用されてもよく、例えば、テク
スチャ構造の基板１、テクスチャ構造の障壁層７、又
は、テクスチャ構造の第１の電極４を使用してもよい。
層５を製造するために使用されてもよく、例えば、テク
スチャ構造の基板１、テクスチャ構造の障壁層７、又
は、テクスチャ構造の第１の電極４を使用してもよい。
【００６９】超音波変換器のアレイ又は一つの超音波変
換器の構成、及び、様々な層及び／又は開口部３の成形
における代替物は、当業者に公知である。
換器の構成、及び、様々な層及び／又は開口部３の成形
における代替物は、当業者に公知である。
【００７０】本発明の実施例を以下により詳細に説明
し、本発明がどのようにして実際に実現されるかを示
す。 実施例１ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ２の
障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４
は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場所
において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを
含む層は、（１１１）配向を有するように成長される。
（１００）配向及び（１１１）配向を有するＰｂＺｒ
０．３ ５Ｔｉ０．６５Ｏ３の層は、圧電層５を形成する
よう各第１の電極４上に設けられる。Ｐｔの第２の電極
６は、各圧電層５上に設けられる。各超音波変換器の第
１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供
給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変
換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基
板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫
々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、
圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。そ
れにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数
ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例２ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ
２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極
４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場
所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔ
を含む層は、（１１１）配向を有するように成長される
ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３。の薄い核生成層
は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を有
するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２ ／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３
の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長され
る。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、
第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続され
ている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波
変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されてい
る。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイア
ス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料
を場の方向に分極する。それにより、超音波変換器夫々
が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のア
レイが得られる。 実施例３ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ
２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極
４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場
所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔ
を含む層は、（１１１）配向を有するように成長され
る。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層
は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向及び
（１１１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）
Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各
核生成層に生長される。各超音波変換器の第１の及び第
２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部
８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、
一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電
気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高め
られた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５
中のセラミック材料を場の方向に分極する。それによ
り、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有
する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例４ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を支持するシリコンの基板１を有する。
反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積
層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２
と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。開
口部３の相互に対向する領域にある膜２の一部分は、エ
ッチングを手段として除去される。ＺｒＯ２の障壁層７
が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は基板１中
の、開口部３がある全ての場所において障壁層７に設け
られる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配
向を有するように成長される。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ
０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、各第１の電極４に設け
られる。（００１）配向及び（１１１）配向を有するＰ
ｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層
は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。
ＴｉＷ／Ａｌの第２の電極６は、各圧電層５上にある。
膜の上にある層の幅は、開口部３の領域において最大で
も膜２の幅である。各超音波変換器の第１の及び第２の
電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９
に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元
アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に
接続されている。これにより、超音波変換器夫々が非常
に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが
得られる。 実施例５ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１０
０）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｐ
ｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、基
板１中の開口部３がある全ての場所において障壁層７に
設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３
Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５とし
て各核生成層上に設けられる。ＴｉＷ／Ａｌの第１の及
び第２の電極４、６は各圧電層５上にある。２つの電極
４、６は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回
超音波変換器を形成するように構成される。各超音波変
換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２
の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の
超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られ
るよう基板１に電気的に接続されている。これにより、
各超音波変換器が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超
音波変換器のアレイが得られる。 実施例６ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４の積層システムから成る
膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣
り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有す
るＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。（１００）配向を
有しランタン及びマンガンでドーピングされたＰｂＺｒ
０．１５Ｔｉ０．８５Ｏ３の層は、圧電層５を形成する
よう障壁層７に成長される。Ｐｔの第１の及び第２の電
極４、６が各圧電層５上にある。２つの電極４、６は、
圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超音波変換
器を形成するように構成される。超音波変換器の第１の
及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接
触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器
は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１
に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に
高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電
層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。これに
より、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを
有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例７ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）
配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／
Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全て
の場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４の
Ｐｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長さ
れる。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成
層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を
有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ
３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長さ
れる。Ｐｔの第２の電極６が各圧電層５上にある。各超
音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及
び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。
個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が
得られるよう基板１に電気的に接続されている。これに
より、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを
有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例８ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）
配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／
Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全て
の場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４の
Ｐｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長さ
れる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ
２／ ３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成す
るよう各第１の電極４に生長される。Ｐｔの第２の電極
６が各圧電層５上にある。各超音波変換器の第１の及び
第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部
８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、
一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電
気的に接続されている。これにより、超音波変換器夫々
が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のア
レイが得られる。 実施例９ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１０
０）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｐ
ｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は基板
１の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設け
られる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ
２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成す
るよう各核生成層に生長される。ＴｉＷ／Ａｌの第１の
及び第２の電極４、６は、各圧電層５上にある。２つの
電極は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超
音波変換器を形成するように構成される。各超音波変換
器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の
電流供給接触部８、９に夫々接続されている。これら
は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１
上の他の超音波変換器に電気的に接続されている。 実施例１０ 超音波変換器のアレイは、平均的な粒の大きさが０．４
μｍのイットリウム安定化されたＺｒＯ２及び適切な有
機結合剤からフィルムキャスティング処理で製造される
４００μｍの厚さの基板１を有する。開口部３は、超音
波変換器の予想されるアレイに対して必要な数のスタン
ピング処理で基板１中に形成される。開口部３は、基板
の中を完全に通る。基板１は、その後第２の、１０μｍ
の厚さのフィルムのイットリウム安定化されたＺｒＯ２
で完全に覆われ、ラミネートされ、焼結される。それに
より、焼結された膜２を有する基板１が得られる。Ｐｔ
の第１の電極４は、基板１中の開口部がある全ての場所
において焼結された膜２に設けられる。第１の電極４
は、２乃至５μｍの平均的な径を有するＢｉ４Ｔｉ３Ｏ
１２の針状結晶の核生成層で約１０％コーティングされ
る。針状結晶は、第１の電極４上に平坦におかれ、それ
により、好ましい方向を示し、その後の焼結処理におい
て結晶核として機能する。次に３０μｍの厚さのセラミ
ックパウダーの形態で厚フィルム処理において各核生成
層上にＰｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ ３−ＰｂＴｉＯ
３が設けられ、１２７５℃でテクスチャ構造で焼結され
る。Ａｇの夫々の第２の電極６がその後に設けられる。
第１の及び第２の電極４、６夫々には第１の及び第２の
電流供給接触部８、９が設けられ、一次元のアレイの超
音波変換器が得られるように基板１上の他の超音波変換
器と接続される。
し、本発明がどのようにして実際に実現されるかを示
す。 実施例１ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ２の
障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４
は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場所
において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを
含む層は、（１１１）配向を有するように成長される。
（１００）配向及び（１１１）配向を有するＰｂＺｒ
０．３ ５Ｔｉ０．６５Ｏ３の層は、圧電層５を形成する
よう各第１の電極４上に設けられる。Ｐｔの第２の電極
６は、各圧電層５上に設けられる。各超音波変換器の第
１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供
給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変
換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基
板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫
々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、
圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。そ
れにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数
ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例２ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ
２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極
４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場
所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔ
を含む層は、（１１１）配向を有するように成長される
ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３。の薄い核生成層
は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を有
するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２ ／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３
の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長され
る。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、
第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続され
ている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波
変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されてい
る。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイア
ス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料
を場の方向に分極する。それにより、超音波変換器夫々
が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のア
レイが得られる。 実施例３ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ
２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極
４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場
所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔ
を含む層は、（１１１）配向を有するように成長され
る。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層
は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向及び
（１１１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）
Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各
核生成層に生長される。各超音波変換器の第１の及び第
２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部
８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、
一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電
気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高め
られた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５
中のセラミック材料を場の方向に分極する。それによ
り、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有
する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例４ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を支持するシリコンの基板１を有する。
反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積
層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２
と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。開
口部３の相互に対向する領域にある膜２の一部分は、エ
ッチングを手段として除去される。ＺｒＯ２の障壁層７
が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は基板１中
の、開口部３がある全ての場所において障壁層７に設け
られる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配
向を有するように成長される。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ
０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、各第１の電極４に設け
られる。（００１）配向及び（１１１）配向を有するＰ
ｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層
は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。
ＴｉＷ／Ａｌの第２の電極６は、各圧電層５上にある。
膜の上にある層の幅は、開口部３の領域において最大で
も膜２の幅である。各超音波変換器の第１の及び第２の
電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９
に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元
アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に
接続されている。これにより、超音波変換器夫々が非常
に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが
得られる。 実施例５ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１０
０）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｐ
ｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、基
板１中の開口部３がある全ての場所において障壁層７に
設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３
Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５とし
て各核生成層上に設けられる。ＴｉＷ／Ａｌの第１の及
び第２の電極４、６は各圧電層５上にある。２つの電極
４、６は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回
超音波変換器を形成するように構成される。各超音波変
換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２
の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の
超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られ
るよう基板１に電気的に接続されている。これにより、
各超音波変換器が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超
音波変換器のアレイが得られる。 実施例６ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４の積層システムから成る
膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣
り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有す
るＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。（１００）配向を
有しランタン及びマンガンでドーピングされたＰｂＺｒ
０．１５Ｔｉ０．８５Ｏ３の層は、圧電層５を形成する
よう障壁層７に成長される。Ｐｔの第１の及び第２の電
極４、６が各圧電層５上にある。２つの電極４、６は、
圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超音波変換
器を形成するように構成される。超音波変換器の第１の
及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接
触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器
は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１
に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に
高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電
層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。これに
より、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを
有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例７ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）
配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／
Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全て
の場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４の
Ｐｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長さ
れる。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成
層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を
有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ
３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長さ
れる。Ｐｔの第２の電極６が各圧電層５上にある。各超
音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及
び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。
個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が
得られるよう基板１に電気的に接続されている。これに
より、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを
有する超音波変換器のアレイが得られる。 実施例８ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システ
ムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの
側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）
配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／
Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全て
の場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４の
Ｐｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長さ
れる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ
２／ ３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成す
るよう各第１の電極４に生長される。Ｐｔの第２の電極
６が各圧電層５上にある。各超音波変換器の第１の及び
第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部
８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、
一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電
気的に接続されている。これにより、超音波変換器夫々
が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のア
レイが得られる。 実施例９ 超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳ
ｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対
側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層シ
ステムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一
つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１０
０）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｐ
ｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は基板
１の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設け
られる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ
２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成す
るよう各核生成層に生長される。ＴｉＷ／Ａｌの第１の
及び第２の電極４、６は、各圧電層５上にある。２つの
電極は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超
音波変換器を形成するように構成される。各超音波変換
器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の
電流供給接触部８、９に夫々接続されている。これら
は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１
上の他の超音波変換器に電気的に接続されている。 実施例１０ 超音波変換器のアレイは、平均的な粒の大きさが０．４
μｍのイットリウム安定化されたＺｒＯ２及び適切な有
機結合剤からフィルムキャスティング処理で製造される
４００μｍの厚さの基板１を有する。開口部３は、超音
波変換器の予想されるアレイに対して必要な数のスタン
ピング処理で基板１中に形成される。開口部３は、基板
の中を完全に通る。基板１は、その後第２の、１０μｍ
の厚さのフィルムのイットリウム安定化されたＺｒＯ２
で完全に覆われ、ラミネートされ、焼結される。それに
より、焼結された膜２を有する基板１が得られる。Ｐｔ
の第１の電極４は、基板１中の開口部がある全ての場所
において焼結された膜２に設けられる。第１の電極４
は、２乃至５μｍの平均的な径を有するＢｉ４Ｔｉ３Ｏ
１２の針状結晶の核生成層で約１０％コーティングされ
る。針状結晶は、第１の電極４上に平坦におかれ、それ
により、好ましい方向を示し、その後の焼結処理におい
て結晶核として機能する。次に３０μｍの厚さのセラミ
ックパウダーの形態で厚フィルム処理において各核生成
層上にＰｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ ３−ＰｂＴｉＯ
３が設けられ、１２７５℃でテクスチャ構造で焼結され
る。Ａｇの夫々の第２の電極６がその後に設けられる。
第１の及び第２の電極４、６夫々には第１の及び第２の
電流供給接触部８、９が設けられ、一次元のアレイの超
音波変換器が得られるように基板１上の他の超音波変換
器と接続される。
【図１】超音波変換器の構成を示す断面図である。
【図２】更なる超音波変換器の構成を示す断面図であ
る。
る。
１ 基板 ２ 膜 ３ 開口部 ４ 第１の電極 ５ 圧電層 ６ 第２の電極 ７ 障壁層 ８ 第１の電流供給接触部 ９ 第２の電流供給接触部
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｊ (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 ティルマン ウルリヒ シュレンカー ドイツ連邦共和国，52078 アーヘン，シ ャーゲンシュトラーセ 151Ａ (72)発明者 オラフ ダナッペル ドイツ連邦共和国，71032 ベーブリンゲ ン，タオヌシュトラーセ 11 (72)発明者 ハンス ペーター レーブル ドイツ連邦共和国，52156 モンシャオ− イムゲンブロイヒ，マティーアス オフェ ルマンシュトラーセ 22 (72)発明者 ゲオルク シュミッツ ドイツ連邦共和国，52159 レートゲン, レンスバハシュトラーセ ４ (72)発明者 ジョン ダグラス フレイザー アメリカ合衆国，ワシントン 98072，ウ ッドィンヴィル，エヌイー 191スト ス トリート 19737 Ｆターム(参考） 5D019 AA27 BB02 BB09 BB12 FF04 HH01
Claims (17)
- 【請求項１】 基板と、膜と、第１の電極と、圧電層
と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、上記膜と一
つの側において隣り合う少なくとも一つの開口部を有す
る超音波変換器のアレイであって、 上記圧電層がテクスチャ構造の層である超音波変換器の
アレイ。 - 【請求項２】 上記圧電層が単結晶層であることを特徴
とする請求項１記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項３】 一方の電極の材料がテクスチャされてい
ることを特徴とする請求項１記載の超音波変換器のアレ
イ。 - 【請求項４】 上記圧電層が、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓ
ｂ、Ｓｒ、Ｎｉのドープ剤又はこれらドープ剤の組み合
わせを有する、及び、有しない 【表１】 からなる群から選択される材料を有することを特徴とす
る請求項１記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項５】 上記膜の上記圧電層に面する側に障壁層
が設けられることを特徴とする請求項１記載の超音波変
換器のアレイ。 - 【請求項６】 上記第１の及び上記第２の電極が上記圧
電層の両端に配置されることを特徴とする請求項１記載
の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項７】 上記電極が上記圧電層の同じ表面上に配
置されることを特徴とする請求項６記載の超音波変換器
のアレイ。 - 【請求項８】 少なくとも一つの更なる電極が上記第１
の電極と上記第２の電極との間に配置されることを特徴
とする請求項６記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項９】 少なくとも２つの電極が同じ極性を有
し、少なくとも一つの極性が反対の極性を有し、上記同
じ極性の電極が並列に結合されることを特徴とする請求
項８記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１０】 上記電極が同心環を形成することを特
徴とする請求項６記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１１】 基板と、膜と、第１の電極と、圧電層
と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、上記膜と一
つの側において隣り合う少なくとも一つの開口部を有す
る超音波変換器のアレイであって、 上記膜の上記圧電層に面する側に障壁層が設けられるこ
とを特徴とする超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１２】 一方の電極が上記障壁層に形成される
テクスチャ構造の電極であることを特徴とする請求項１
１記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１３】 上記障壁層が上記膜の層の曲げ剛性よ
りも小さい曲げ剛性を有することを特徴とする請求項１
１記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１４】 変換器の中立面と上記圧電層との間の
距離が上記圧電層の厚さよりも大きいことを特徴とする
請求項１３記載の超音波変換器のアレイ。 - 【請求項１５】 上記障壁層が上記圧電層よりも厚いこ
とを特徴とする請求項１１記載の超音波変換器のアレ
イ。 - 【請求項１６】 基板と、膜と、第１の電極と、圧電層
と、第２の電極とを有し、上記基板が、上記膜と一つの
側において隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超
音波変換器であって、 上記圧電層がテクスチャ構造の層である超音波変換器。 - 【請求項１７】 基板と、膜と、第１の電極と、圧電層
と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、上記膜と一
つの側において隣り合う少なくとも一つの開口部を有す
る超音波変換器のアレイを製造する方法であって、 上記圧電層がテクスチャ構造で製造される方法。
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