JP2003284182A - Ultrasonic wave sensor element, ultrasonic wave array sensor system, and adjustment method of resonance frequency therefor - Google Patents

Ultrasonic wave sensor element, ultrasonic wave array sensor system, and adjustment method of resonance frequency therefor

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JP2003284182A
JP2003284182A JP2002083275A JP2002083275A JP2003284182A JP 2003284182 A JP2003284182 A JP 2003284182A JP 2002083275 A JP2002083275 A JP 2002083275A JP 2002083275 A JP2002083275 A JP 2002083275A JP 2003284182 A JP2003284182 A JP 2003284182A
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JP
Japan
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ultrasonic
ultrasonic sensor
resonance frequency
sensor element
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Japanese (ja)
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Kaoru Yamashita
馨 山下
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Osaka Industrial Promotion Organization
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  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic wave array sensor system for recognizing an object including position measurement of the object to be measured. <P>SOLUTION: The ultrasonic wave sensor element 20 comprises a piezoelectric sensor that is formed by using two electrodes 16, 18 to have a PZT ceramic thin film layer 17 being a ferroelectric substance inbetween and has a prescribed resonance frequency to sense an ultrasonic wave, and is characterized in that the resonance frequency of the ultrasonic wave sensor element 20 is changed by applying a prescribed bias voltage between the two electrode 16 and 18 during the measurement of the ultrasonic wave sensor element 20. Further, in an ultrasonic wave array sensor system 30 comprising parallel connections of a plurality of the ultrasonic wave sensor elements 20, a prescribed bias voltage is applied between the two electrodes 15 and 18 of each ultrasonic wave sensor element 20 respectively so as to change the resonance frequencies of the ultrasonic wave sensor elements 20 so that they are substantially coincident with each other during the measurement of a plurality of the ultrasonic wave sensor elements 20. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電センサにてな
る超音波センサ素子と、複数の超音波センサ素子にてな
る超音波アレイセンサ装置と、それらの共振周波数の調
整方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic sensor element composed of a piezoelectric sensor, an ultrasonic array sensor device composed of a plurality of ultrasonic sensor elements, and a method of adjusting their resonance frequencies.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、例えば、所定の共振周波数を有し
超音波を検出可能な圧電センサにてなる複数の超音波セ
ンサ素子を所定の2次元形状で並置してなる超音波アレ
イセンサ装置を用いて、電子走査による物体認識により
立体形状の計測画像を得ることが実用化されているが、
超音波アレイセンサ装置では、各超音波センサ素子から
の出力信号を処理することにより、センサ素子自身は固
定したままで電気的に計測方位を走査することができ
る。ここで、特に、小型の超音波アレイセンサ装置を従
来、「共振型超音波マイクロアレイセンサ装置」と呼ん
でいるが、これを用いて小型機器への搭載を考えた場
合、この装置における機械的走査部をなくすことは必須
である。
2. Description of the Related Art Heretofore, for example, an ultrasonic array sensor device has a plurality of ultrasonic sensor elements, which are piezoelectric sensors having a predetermined resonance frequency and capable of detecting ultrasonic waves, arranged in a predetermined two-dimensional shape. It has been practically used to obtain a measurement image of a three-dimensional shape by object recognition by electronic scanning using
In the ultrasonic array sensor device, by processing the output signal from each ultrasonic sensor element, it is possible to electrically scan the measurement direction while the sensor element itself is fixed. Here, in particular, a compact ultrasonic array sensor device is conventionally called a "resonant ultrasonic microarray sensor device", but when it is considered to be mounted on a small device using this, mechanical scanning in this device is performed. It is essential to lose parts.

【0003】次いで、この超音波アレイセンサ装置を用
いて行う、電子走査による物体認識について以下に説明
する。図3乃至図5に超音波計測における、遅延加算に
よる受信波走査の概念を示し、ここで、図3は、従来技
術における超音波を用いた物体の位置測定方法を示す概
略図であり、図4は、図3の物体の位置測定方法を用い
た物体位置測定装置の回路部を示すブロック図であり、
図5は、図4の物体位置測定装置の回路部における各部
における信号波形を示す波形図である。
Next, the object recognition by electronic scanning performed using this ultrasonic array sensor device will be described below. FIGS. 3 to 5 show the concept of received wave scanning by delay addition in ultrasonic measurement, and FIG. 3 is a schematic diagram showing an object position measuring method using ultrasonic waves in the related art. 4 is a block diagram showing a circuit unit of an object position measuring device using the object position measuring method of FIG.
FIG. 5 is a waveform diagram showing signal waveforms at various parts in the circuit part of the object position measuring device of FIG.

【0004】図3に示すように、超音波センサ素子20
の側に設置した超音波音源40から超音波を発し、被測
定物体51,52に反射して帰ってきた超音波を超音波
センサ素子20により受信することにより、被測定物体
の方位角を含む位置を認識する。このとき、超音波の各
超音波センサ素子20への各入射方向における伝搬時間
(超音波音源20から発信してから各超音波センサ素子
20に戻るまでの時間)から、各方向における被測定物
体51,52の距離dの分布(奥行き方向距離)を計測
する。
As shown in FIG. 3, the ultrasonic sensor element 20
The ultrasonic sensor element 20 emits ultrasonic waves from the ultrasonic sound source 40 installed on the side of the object, and the ultrasonic waves reflected by the objects 51 and 52 to be returned are received by the ultrasonic sensor element 20 to include the azimuth angle of the object to be measured. Recognize position. At this time, from the propagation time of the ultrasonic wave in each incident direction to each ultrasonic sensor element 20 (the time from the transmission from the ultrasonic sound source 20 to the return to each ultrasonic sensor element 20), the measured object in each direction The distribution of the distance d of 51 and 52 (distance in the depth direction) is measured.

【0005】ここで、各超音波センサ素子20には同時
にあらゆる方向から超音波が入射するが、この中から特
定の方向の信号を取り出して処理しなければならない。
この特定の方向成分を取り出す処理の概要を図4に示
し、また具体的な波形の例を図5に示す。図4における
第1の入射波は、超音波アレイセンサ装置30の入射面
30sに平行な面30saに対して、第1の角度θ
有して超音波アレイセンサ装置30に到達する。そのた
め、各超音波センサ素子20からの出力信号は図5に示
すように各超音波センサ素子20毎の時間遅れを有する
信号波形となる。これを、第1の角度θに対応する第
1の遅延パターンに設定した可変遅延器31−1乃至3
1−5を通過させることにより、第1の遅延後信号の波
形に示すように入射波Iの位相を揃えることができる。
ここで、図5においては、各可変遅延器31−1乃至3
1−5の横方向の長さはそれぞれ設定された遅延時間の
長さに対応し、第1の遅延パターンにおいては、可変遅
延器31−5が可変遅延器31−1に比較して遅延時間
が長くなるように設定されている。さらに、これらの信
号を加算器32により加算することにより、第1の加算
後信号の波形に示すように、第1の入射波の信号波形の
みを他の信号波形に比べて非常に大きくして(素子数倍
して)同相合成して取り出すことができる。
Here, ultrasonic waves are simultaneously incident on each of the ultrasonic sensor elements 20 from all directions, and it is necessary to extract and process a signal in a specific direction from the ultrasonic waves.
FIG. 4 shows an outline of the processing for extracting this specific direction component, and FIG. 5 shows an example of a concrete waveform. The first incident wave in FIG. 4 reaches the ultrasonic array sensor device 30 at a first angle θ 1 with respect to the surface 30sa parallel to the incident surface 30s of the ultrasonic array sensor device 30. Therefore, the output signal from each ultrasonic sensor element 20 has a signal waveform having a time delay for each ultrasonic sensor element 20, as shown in FIG. This is set to the first delay pattern corresponding to the first angle θ 1 , and the variable delay units 31-1 to 31-3 are set.
By passing 1-5, the phase of the incident wave I can be aligned as shown by the waveform of the first delayed signal.
Here, in FIG. 5, each of the variable delay units 31-1 to 31-3
The horizontal lengths of 1-5 correspond to the lengths of the set delay times, respectively. In the first delay pattern, the variable delay unit 31-5 compares the delay time with that of the variable delay unit 31-1. Is set to be long. Further, by adding these signals by the adder 32, as shown in the waveform of the first post-addition signal, only the signal waveform of the first incident wave is made much larger than the other signal waveforms. It is possible to take out by in-phase synthesis (by multiplying the number of elements).

【0006】第2の入射波についても全く同様に、第2
の角度θに対応する第2の遅延パターンを用いること
により、第2の加算後信号の波形に示すように第2の入
射波のみを大きくして同相合成して取り出すことができ
る。このように、受信側の可変遅延器31−1乃至31
−5の可変遅延パターンを変化させて遅延加算すること
により、機械的な可動部なしで角度方向に走査すること
ができる。
Similarly for the second incident wave, the second
By using the second delay pattern corresponding to the angle θ 2 of, the second incident wave alone can be enlarged and in-phase combined and extracted as shown in the waveform of the second post-addition signal. As described above, the variable delay units 31-1 to 31 on the receiving side
By changing the variable delay pattern of -5 and performing delay addition, it is possible to scan in the angular direction without a mechanically movable part.

【0007】次いで、疑似アレイを用いた物体認識につ
いて以下に説明する。上述のごとく作製した超音波セン
サ素子20を用いて、原理的に遅延加算による電子走査
が可能であるかどうかを、疑似アレイを用いて検証し
た。ここで、「疑似アレイ」とは、実際に半導体チップ
上に配列された複数の超音波センサ素子を用いてアレイ
を構成するのではなく、単一の超音波センサ素子20の
みを用い、その位置を変化させながら超音波の送受信を
行ない、それによって得られた受信波形を基にして電子
走査を行なうものである。疑似アレイを用いることによ
り、超音波アレイセンサ装置30内の各超音波センサ素
子20間の特性のバラツキ(感度、共振周波数及び減衰
率)に左右されることなく、遅延加算による電子走査そ
のものの原理検証ができる。この場合、実際には1回の
超音波の送受信ですべての超音波センサ素子20の受信
波形が得られるところを、疑似アレイの場合は複数回の
超音波送受信による波形を用いることになるので、各送
受信時の超音波波形そのもののバラツキが問題になる。
実際に超音波発振波形を測定したところ、各発振間で波
形自体には大きな変化はなく、また各発振毎の超音波の
強度自体を標準マイクロホンを用いて校正することによ
り、実際のアレイセンサを十分にエミュレートできるこ
とを確認した。
Next, object recognition using the pseudo array will be described below. Using the ultrasonic sensor element 20 manufactured as described above, whether or not electronic scanning by delay addition is possible in principle was verified using a pseudo array. Here, the “pseudo array” does not actually form an array using a plurality of ultrasonic sensor elements arranged on a semiconductor chip, but uses only a single ultrasonic sensor element 20 and its position. The ultrasonic wave is transmitted and received while changing the, and electronic scanning is performed based on the received waveform obtained thereby. By using the pseudo array, the principle of electronic scanning itself by delay addition is not affected by variations in characteristics (sensitivity, resonance frequency, and attenuation rate) between the ultrasonic sensor elements 20 in the ultrasonic array sensor device 30. Can be verified. In this case, in reality, the reception waveforms of all the ultrasonic sensor elements 20 can be obtained by transmitting and receiving the ultrasonic waves once, but in the case of the pseudo array, the waveforms obtained by transmitting and receiving the ultrasonic waves multiple times are used. The variation of the ultrasonic waveform itself during each transmission / reception becomes a problem.
When the ultrasonic oscillation waveform was actually measured, there was no significant change in the waveform itself between each oscillation, and the intensity of the ultrasonic wave for each oscillation itself was calibrated using a standard microphone to obtain the actual array sensor. I confirmed that it can be emulated sufficiently.

【0008】今回疑似アレイに用いたアレイの配置を図
6(a)に示す。超音波センサ素子20には600μm
角、共振周波数100kHzのものを使い、素子間隔も
=1.7mmとした。この場合の指向特性の計算値
を図6(b)に示す。半値幅は約28゜であるので、3
0゜程度以上離れた物体を分離できる指向特性を有す
る。
The arrangement of the array used for the pseudo array this time is shown in FIG. 6 (a). 600 μm for the ultrasonic sensor element 20
The angle and the resonance frequency were 100 kHz, and the element spacing was also d i = 1.7 mm. The calculated values of the directional characteristics in this case are shown in FIG. Half-width is about 28 °, so 3
It has a directional characteristic that can separate an object separated by about 0 ° or more.

【0009】測定に用いた被測定物体と超音波センサ素
子20の配置の模式図を図7に示す。被測定物体51,
52としては円柱形状の金属棒を用いた。測定に際し、
超音波センサ素子20は自動ステージに固定して、コン
ピュータ60による制御によりパルス超音波の発振信号
と受信信号の取り込み及びステージの移動を繰返し、最
終的に得られたすべての信号波形を用いて計算により遅
延加算を行ない、物体の位置測定を含む物体認識を試み
た。
FIG. 7 shows a schematic view of the arrangement of the object to be measured and the ultrasonic sensor element 20 used for the measurement. Measured object 51,
As 52, a cylindrical metal rod was used. When measuring
The ultrasonic sensor element 20 is fixed to the automatic stage, the oscillation signal of the pulse ultrasonic wave and the reception signal are repeatedly captured by the control of the computer 60, and the stage is moved repeatedly, and calculation is performed using all the finally obtained signal waveforms. We tried the object recognition including the position measurement of the object by delay addition.

【0010】実際に、各超音波センサ素子20−1乃至
20−4から出力された受信信号の波形を図8に示す。
2つの被測定舞台51,52からの反射信号波形が合成
されたものが各超音波センサ素子20から出力される
が、被測定物体51,52との位置関係の違いにより2
つの超音波が干渉し、超音波センサ素子20毎に大きく
異なる出力信号を得ることができる。図8の各信号波形
をコンピュータ60に取り込み、計算により遅延加算を
行なった波形を図9に示す。計算上は方位角θが2度毎
に遅延加算を行なったが、図9には代表的な方位角θに
対する出力信号波形を示している。この出力信号波形か
らだけでも、正面左側と右側に異なる距離に被測定物体
51,52が存在することが示唆される。
FIG. 8 shows the waveforms of the reception signals actually output from the ultrasonic sensor elements 20-1 to 20-4.
A combination of the reflected signal waveforms from the two measured stages 51 and 52 is output from each ultrasonic sensor element 20, but due to the difference in the positional relationship with the measured objects 51 and 52, 2
The two ultrasonic waves interfere with each other, and it is possible to obtain output signals that are greatly different for each ultrasonic sensor element 20. FIG. 9 shows waveforms obtained by loading the signal waveforms of FIG. 8 into the computer 60 and performing delay addition by calculation. In the calculation, the azimuth angle θ is delayed and added every 2 degrees, but FIG. 9 shows a typical output signal waveform for the azimuth angle θ. The output signal waveform alone suggests that the measured objects 51 and 52 exist at different distances on the front left side and the right side.

【0011】実際に物体の配置を再構成するには、所定
の方位角θ毎に、被測定物体51,52が存在するかど
うか、存在するとすればどれくらいの距離に存在するか
を判定して行く。判定基準としては、図10に示すよう
に反射波の最大振幅とそれを与える遅延時間(超音波音
源40の送信から各超音波センサ素子20への受信まで
の時間をいう。)を用いる。反射波の最大振幅が物体が
存在する確からしさを与え、遅延時間tが物体までの距
離dを与える。この距離dの計算は、次式を用いて実行
することができる。
In order to actually reconstruct the arrangement of the objects, it is judged for each predetermined azimuth angle θ whether or not the measured objects 51 and 52 exist, and if so, at what distance. go. As shown in FIG. 10, the maximum amplitude of the reflected wave and the delay time (the time from the transmission of the ultrasonic sound source 40 to the reception of each ultrasonic sensor element 20) are used as the criterion. The maximum amplitude of the reflected wave gives the certainty that the object exists, and the delay time t gives the distance d to the object. The calculation of this distance d can be executed using the following equation.

【0012】[0012]

【数1】h=c×t/2## EQU1 ## h = c × t / 2

【数2】c=331+0.6×Tr[Expression 2] c = 331 + 0.6 × Tr

【0013】ここで、cは超音波の速度であり、Trは
気温である。
Here, c is the velocity of ultrasonic waves and Tr is the temperature.

【0014】図10の最大振幅と遅延時間を所定の方位
角θ毎にプロットしたものを図11に示す。ここでの物
体存在の判定条件は、最大振幅についてあるしきい値を
定め、そのそのしきい値を越える領域での極大値の点を
もって物体が存在することとした。これにより、2つの
方位角方向(方位角θ=±12度)に物体が存在するこ
とが分かる。またそれらの方向の物体までの距離dはそ
れぞれ39.8cm及び38cmである。これを方位角
θと距離dについて極座標表示したものを図12に示
す。これにより、実験系での物体配置が再構成されてい
ることが分かる。
FIG. 11 shows a plot of the maximum amplitude and the delay time of FIG. 10 for each predetermined azimuth angle θ. The condition for determining the existence of an object here is that a certain threshold value is set for the maximum amplitude, and the object exists at the point of the maximum value in the area exceeding the threshold value. From this, it can be seen that an object exists in two azimuth directions (azimuth θ = ± 12 degrees). The distances d to the object in those directions are 39.8 cm and 38 cm, respectively. FIG. 12 shows polar coordinates of the azimuth θ and the distance d. This shows that the object arrangement in the experimental system has been reconstructed.

【0015】ここで、物体位置の測定を含む物体認識に
際しての最大振幅に対するしきい値の取り方には、厳密
には任意性が伴う。実際に特定のアプリケーションにお
ける特定の被測定物体に対する物体認識では、予め様々
な配置に対して予備測定を行ない、適切なしきい値を求
めておく必要があるのはもちろんである。しかしなが
ら、目的とする物体認識の検証実験としては、図11に
おいて、ある特定のしきい値を決定し得るということが
重要である。
Strictly speaking, the method of setting the threshold value with respect to the maximum amplitude in recognizing an object including the measurement of the position of the object involves arbitrariness. In actual object recognition for a specific object to be measured in a specific application, it is needless to say that it is necessary to perform preliminary measurement for various arrangements in advance and obtain an appropriate threshold value. However, as a target verification experiment of object recognition, it is important to be able to determine a certain threshold value in FIG.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】さらに、リニアアレイ
である超音波アレイセンサ装置30を用いた電子走査に
よる複数の物体認識について以下に説明する。上述の疑
似アレイによる検証実験により、複数の超音波センサ素
子20を用いて原理的に物体認識が可能であることが分
かった。以下では、実際の半導体チップ上に設けられた
超音波アレイセンサ装置30を用いて物体認識を試み
る。
Further, the recognition of a plurality of objects by electronic scanning using the ultrasonic array sensor device 30 which is a linear array will be described below. From the above-described verification experiment using the pseudo array, it was found that object recognition can be performed in principle using a plurality of ultrasonic sensor elements 20. In the following, object recognition is attempted using the ultrasonic array sensor device 30 provided on the actual semiconductor chip.

【0017】使用する超音波アレイセンサ装置30は上
述で用いたものと同様に、複数の超音波センサ素子20
をアレイ形状で配置したものであって、各超音波センサ
素子20は、600μm角、共振周波数100kHz、
素子間隔d=1.7mmを有し、その超音波センサ素
子20の配置は図6(a)と同様である。また、超音波
アレイセンサ装置30と、超音波音源40と、被測定物
体51,52の配置も図7と同様であるが、今回は実際
のアレイを用いるので超音波センサ素子20を移動させ
ることはなく、1つのパルスの超音波信号の送受信で得
られる各超音波センサ素子20からの出力信号をコンピ
ュータ60に取り込み、計算により遅延加算を行なっ
た。
The ultrasonic array sensor device 30 to be used has a plurality of ultrasonic sensor elements 20 in the same manner as that used above.
Are arranged in an array shape, and each ultrasonic sensor element 20 has a 600 μm square, a resonance frequency of 100 kHz,
The element spacing d i = 1.7 mm, and the arrangement of the ultrasonic sensor elements 20 is the same as in FIG. 6A. The arrangement of the ultrasonic array sensor device 30, the ultrasonic sound source 40, and the measured objects 51 and 52 is also the same as in FIG. 7, but since the actual array is used this time, the ultrasonic sensor element 20 must be moved. Instead, the output signal from each ultrasonic sensor element 20 obtained by transmitting and receiving the ultrasonic signal of one pulse was taken into the computer 60, and delay addition was performed by calculation.

【0018】各超音波センサ素子20からの出力信号の
波形を図13に示す。上述の図8と同様に、2つの被測
定物体51,52からの反射波信号が明瞭に見られる。
これらを遅延加算した後の信号波形を図14に示す。疑
似アレイの場合と異なり、各方位角θにおける振幅ピー
クが複雑に出現し、特定の位置に物体が存在するかのよ
うには見えない。図8と同様にして、実際に図14から
最大振幅と遅延時間を各方位角毎にプロットすると図1
5となる。はっきりとした最大振幅のピークが認められ
ず、特定のしきい値を決めることができない。従って、
図15からは物体配置の再構成は不可能である。
The waveform of the output signal from each ultrasonic sensor element 20 is shown in FIG. Similar to FIG. 8 described above, the reflected wave signals from the two measured objects 51 and 52 can be clearly seen.
FIG. 14 shows a signal waveform after delay-adding these. Unlike the case of the pseudo array, amplitude peaks at each azimuth angle θ appear intricately, and it does not appear that an object exists at a specific position. Similarly to FIG. 8, when the maximum amplitude and the delay time are actually plotted for each azimuth angle from FIG. 14, FIG.
It becomes 5. There is no clear peak of maximum amplitude and no specific threshold can be determined. Therefore,
It is impossible to reconstruct the object arrangement from FIG.

【0019】以上説明したように、従来技術の超音波ア
レイセンサ装置30においては、被測定物体51,52
の位置測定を含む物体認識を行うことができないという
問題点があった。
As described above, in the ultrasonic array sensor device 30 of the prior art, the measured objects 51, 52 are
There is a problem that it is not possible to perform object recognition including position measurement.

【0020】本発明の目的は以上の問題点を解決し、超
音波アレイセンサ装置30においては、被測定物体5
1,52の位置測定を含む物体認識を行うことができる
装置及び方法などの手段を提供することにある。
The object of the present invention is to solve the above problems, and in the ultrasonic array sensor device 30, the object 5 to be measured is
An object of the present invention is to provide means such as an apparatus and method capable of performing object recognition including 1,52 position measurement.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】本願の第1の発明に係る
超音波センサ素子の共振周波数の調整方法は、強誘電体
を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有し
て超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素
子の共振周波数の調整方法であって、上記超音波センサ
素子の動作中において、上記2つの電極間に所定のバイ
アス電圧を印加することにより上記超音波センサ素子の
共振周波数を変化させるステップを含むことを特徴とす
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of adjusting a resonance frequency of an ultrasonic sensor element, wherein a ferroelectric material is sandwiched between two electrodes and has a predetermined resonance frequency. A method for adjusting a resonance frequency of an ultrasonic sensor element, which comprises a piezoelectric sensor for detecting ultrasonic waves by applying a predetermined bias voltage between the two electrodes during operation of the ultrasonic sensor element. The method is characterized by including the step of changing the resonance frequency of the ultrasonic sensor element.

【0022】本願の第2の発明に係る超音波アレイセン
サ装置の共振周波数の調整方法は、強誘電体を2つの電
極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を
検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波セン
サ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置のための
調整方法であって、上記複数の超音波センサ素子の動作
中において、上記各超音波センサ素子の2つの電極間に
それぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、上
記各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一
致するように変化させるステップを含むことを特徴とす
る。
In the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic array sensor device according to the second invention of the present application, the ferroelectric substance is sandwiched between two electrodes, and the ultrasonic wave is detected with a predetermined resonance frequency. A method for adjusting an ultrasonic array sensor device in which a plurality of ultrasonic sensor elements each of which is a piezoelectric sensor are arranged side by side, wherein each of the ultrasonic sensor elements is in operation during operation of the plurality of ultrasonic sensor elements. And applying a predetermined bias voltage between the two electrodes to change the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements so as to substantially match each other.

【0023】本願の第3の発明に係る超音波センサ素子
の共振周波数の調整方法は、強誘電体を2つの電極で挟
設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出す
る圧電センサにてなる超音波センサ素子の共振周波数の
調整方法であって、上記超音波センサ素子の動作前にお
いて、所定の時間にわたって、上記2つの電極間に所定
の電圧を印加することにより所定の電界を印加して、上
記超音波センサ素子に対してポーリングを行うことによ
り上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステ
ップを含むことを特徴とする。
In the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic sensor element according to the third aspect of the present invention, the ferroelectric substance is sandwiched between two electrodes, and the ultrasonic wave is detected with a predetermined resonance frequency. A method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic sensor element comprising a piezoelectric sensor, wherein a predetermined voltage is applied between the two electrodes for a predetermined time before the operation of the ultrasonic sensor element. The method is characterized by including a step of changing the resonance frequency of the ultrasonic sensor element by applying an electric field and polling the ultrasonic sensor element.

【0024】本願の第4の発明に係る超音波アレイセン
サ装置の共振周波数の調整方法は、強誘電体を2つの電
極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を
検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数の超音波セン
サ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置のための
調整方法であって、上記複数の超音波センサ素子の動作
前において、所定の時間にわたって、上記各超音波セン
サ素子の2つの電極間にそれぞれ所定の電圧を印加する
ことにより所定の電界を印加して、上記複数の超音波セ
ンサ素子に対してポーリングを行うことにより上記各超
音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致する
ように変化させるステップを含むことを特徴とする。
In the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic array sensor device according to the fourth aspect of the present invention, the ferroelectric substance is sandwiched between two electrodes, and the ultrasonic wave is detected with a predetermined resonance frequency. A method for adjusting an ultrasonic array sensor device in which a plurality of ultrasonic sensor elements, each of which is a piezoelectric sensor, are arranged side by side, and before the operation of the plurality of ultrasonic sensor elements, for a predetermined time, A predetermined electric field is applied between the two electrodes of each ultrasonic sensor element to apply a predetermined electric field, and the plurality of ultrasonic sensor elements are polled so that the ultrasonic sensor elements The method is characterized by including changing the resonance frequencies so as to substantially match each other.

【0025】本願の第5の発明に係る超音波センサ素子
は、上記第1の発明に係る超音波センサ素子の共振周波
数の調整方法を用いて超音波センサ素子の共振周波数を
所定の共振周波数に設定したことを特徴とする。
The ultrasonic sensor element according to the fifth invention of the present application uses the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic sensor element according to the first invention so that the resonant frequency of the ultrasonic sensor element becomes a predetermined resonant frequency. The feature is that it is set.

【0026】本願の第6の発明に係る超音波アレイセン
サ装置は、上記第2の発明に係る超音波アレイセンサ装
置の共振周波数の調整方法を用いて複数の超音波センサ
素子の共振周波数を所定の同一の共振周波数に設定した
ことを特徴とする。
An ultrasonic array sensor device according to a sixth aspect of the present invention uses the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic array sensor device according to the second aspect to determine the resonant frequencies of a plurality of ultrasonic sensor elements. Is set to the same resonance frequency of.

【0027】本願の第7の発明に係る超音波センサ素子
は、上記第3の発明に係る超音波センサ素子の共振周波
数の調整方法を用いて超音波センサ素子の共振周波数を
所定の共振周波数に設定したことを特徴とする。
The ultrasonic sensor element according to the seventh invention of the present application sets the resonant frequency of the ultrasonic sensor element to a predetermined resonant frequency by using the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic sensor element according to the third invention. The feature is that it is set.

【0028】本願の第8の発明に係る超音波アレイセン
サ装置は、上記第4の発明に係る超音波アレイセンサ装
置の共振周波数の調整方法を用いて複数の超音波センサ
素子の共振周波数を所定の同一の共振周波数に設定した
ことを特徴とする。
The ultrasonic array sensor device according to the eighth invention of the present application uses the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic array sensor device according to the fourth invention to determine the resonant frequencies of a plurality of ultrasonic sensor elements. Is set to the same resonance frequency of.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0030】本発明に係る実施形態においては、超音波
アレイセンサ装置30においては、被測定物体51,5
2の位置測定を含む物体認識を行うことができる装置及
び方法などの手段を提供する。図1は、本発明に係る一
実施形態である超音波センサ素子20の構造を示す断面
図であり、図2は、図1に図示された超音波センサ素子
20を複数個用いてアレイ配置したときの素子配置を示
す超音波アレイセンサ装置30を示す上面図である。
In the embodiment according to the present invention, in the ultrasonic array sensor device 30, the objects to be measured 51, 5 are measured.
Means such as apparatus and methods capable of performing object recognition including two position measurements are provided. FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an ultrasonic sensor element 20 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an array arrangement using a plurality of ultrasonic sensor elements 20 shown in FIG. It is a top view which shows the ultrasonic array sensor apparatus 30 which shows the element arrangement at this time.

【0031】本実施形態に係る超音波センサ素子20
は、図1に示すように、強誘電体であるPZTセラミッ
クス薄膜層17を2つの電極16,18で挟設してな
り、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電セ
ンサで構成され、超音波センサ素子20の測定動作中に
おいて、上記2つの電極16,18間に所定のバイアス
電圧を印加することにより超音波センサ素子20の共振
周波数を変化させることを特徴としている。また、図2
に示すように、複数の超音波センサ素子20を並置して
なる超音波アレイセンサ装置30において、複数の超音
波センサ素子20の測定動作中において、各超音波セン
サ素子20の2つの電極間16,18にそれぞれ所定の
バイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素
子20の共振周波数が互いに実質的に一致するように変
化させる。
Ultrasonic sensor element 20 according to the present embodiment
As shown in FIG. 1, a PZT ceramic thin film layer 17 which is a ferroelectric substance is sandwiched between two electrodes 16 and 18, and is composed of a piezoelectric sensor which has a predetermined resonance frequency and detects ultrasonic waves. The resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 is changed by applying a predetermined bias voltage between the two electrodes 16 and 18 during the measurement operation of the ultrasonic sensor element 20. Also, FIG.
As shown in FIG. 3, in the ultrasonic array sensor device 30 in which a plurality of ultrasonic sensor elements 20 are juxtaposed, between the two electrodes 16 of each ultrasonic sensor element 20 during the measurement operation of the plurality of ultrasonic sensor elements 20. , 18 are applied with predetermined bias voltages, respectively, so that the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 are changed so as to substantially match each other.

【0032】さらに、超音波センサ素子20の測定動作
前において、例えば1秒乃至1時間である所定の時間に
わたって、2つの電極16,18間に所定の電圧を印加
することにより所定の電界を印加して、超音波センサ素
子20に対してポーリングを行うことにより超音波セン
サ素子20の共振周波数を変化させることを特徴として
いる。また、超音波アレイセンサ装置30において、複
数の超音波センサ素子20の測定動作前において、例え
ば1秒乃至1時間である所定の時間にわたって、各超音
波センサ素子20の2つの電極間16,18にそれぞれ
所定の電圧を印加することにより所定の電界を印加し
て、複数の超音波センサ素子20に対してポーリングを
行うことにより各超音波センサ素子20の共振周波数が
互いに実質的に一致するように変化させる。
Further, before the measurement operation of the ultrasonic sensor element 20, a predetermined electric field is applied by applying a predetermined voltage between the two electrodes 16 and 18 for a predetermined time of, for example, 1 second to 1 hour. Then, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 is changed by polling the ultrasonic sensor element 20. Further, in the ultrasonic array sensor device 30, before the measurement operation of the plurality of ultrasonic sensor elements 20, for a predetermined time, for example, 1 second to 1 hour, between the two electrodes 16, 18 of each ultrasonic sensor element 20. A predetermined electric field is applied to each of the plurality of ultrasonic sensor elements 20 to poll the plurality of ultrasonic sensor elements 20 so that the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 substantially match each other. Change to.

【0033】まず、本実施形態において用いる、超音波
アレイセンサ装置30内の超音波センサ素子20の構造
及び製造方法について以下に説明する。超音波センサ素
子20の感音部の薄板構造としては、ダイアフラム(四
辺固定)、ブリッジ(二辺固定)又はカンチレバー(一
辺固定)の形状が一般によく用いられる。これらの薄板
構造は、公知の通り、その材質及び寸法が同じであれ
ば、正方形板においてそれぞれの共振周波数fd、f
b、fcが次式の関係にある。
First, the structure and manufacturing method of the ultrasonic sensor element 20 in the ultrasonic array sensor device 30 used in this embodiment will be described below. As the thin plate structure of the sound sensing portion of the ultrasonic sensor element 20, a diaphragm (fixed on four sides), a bridge (fixed on two sides) or a cantilever (fixed on one side) is generally used. As is well known, these thin plate structures have the same resonance frequency fd, f in a square plate if the materials and dimensions are the same.
b and fc have the following relationship.

【0034】[0034]

【数3】fd:fb:fc=35.99:22.37:
3.494
Fd: fb: fc = 35.99: 22.37:
3.494

【0035】また、同じ形状については共振周波数は一
辺の長さの二乗に反比例して低くなる。従って、共振周
波数が同じであれば、ダイアフラムよりブリッジ、ブリ
ッジよりカンチレバーの方が小型の超音波センサ素子2
0を作製することができ、それだけ限られたチップ面積
に多数の超音波センサ素子20からなる超音波アレイセ
ンサ装置30を構成できることになる。
For the same shape, the resonance frequency decreases in inverse proportion to the square of the length of one side. Therefore, if the resonance frequencies are the same, the ultrasonic sensor element 2 having a smaller size in the bridge than in the diaphragm and in the cantilever than in the bridge
Therefore, the ultrasonic array sensor device 30 including a large number of ultrasonic sensor elements 20 can be configured in a limited chip area.

【0036】しかしながら、 (1)シリコンの異方性エッチングを利用したバルクマ
イクロマシニングによりこれら薄板構造を作る。 (2)圧電層として、良好な圧電性を有するゾルゲル製
膜法によるPZTセラミックス薄膜が有効である。とい
うプロセス上の要求、及び (3)アレイの一部でも不良部分があると、そのチップ
全体の機能が失われるというアレイセンサ(特に合成開
口型)の問題点に対処するためには、異方性エッチング
が完了したダイアフラム上に、ポストプロセスとしてゾ
ルゲル製膜法により圧電層を製膜するというプロセスが
最も作製歩留まりが高いと考えられる。そこで本実施形
態に係るプロセスではこの方針で超音波センサ素子20
を作製することとした。
However, (1) these thin plate structures are formed by bulk micromachining utilizing anisotropic etching of silicon. (2) As the piezoelectric layer, a PZT ceramic thin film by a sol-gel film forming method having good piezoelectricity is effective. In order to deal with the problem of the array sensor (particularly the synthetic aperture type) that (3) the function of the entire chip is lost if there is a defective portion in a part of the array, It is considered that the production yield is highest in the process of forming the piezoelectric layer by the sol-gel film forming method as a post process on the diaphragm that has completed the property etching. Therefore, in the process according to the present embodiment, the ultrasonic sensor element 20 is
It was decided to produce.

【0037】本実施形態に係る超音波センサ素子20の
構造を示す断面図を図1に示す。一辺の長さa[m]の
正方形ダイアフラムの共振周波数fr[Hz]は次式に
より求めることができる。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the ultrasonic sensor element 20 according to this embodiment. The resonance frequency fr [Hz] of a square diaphragm having a side length a [m] can be calculated by the following equation.

【0038】[0038]

【数4】 [Equation 4]

【0039】ここで、各変数は以下の表に示す通りであ
る。
Here, each variable is as shown in the following table.

【0040】[0040]

【表1】 ダイアフラムの共振周波数を決める各変数 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 変数 単位 意味 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― α 振動モードによる係数。正方形板の最低次ではα≒35.99。 ν ダイアフラム全体のポアソン比(ここでは、0.3)。 t [m] ダイアフラムの全厚。 t [m] 第i層の膜厚。 ρ [kg/m] ダイアフラム全体の体積質量密度。 ρ [kg/m] 第i層の材料の密度。 E [Pa] 第i層の材料のヤング率。 h [m] 第i層の高さ。 K [Nm] ダイアフラムの曲げ剛性。 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――[Table 1] Variables that determine the resonance frequency of the diaphragm ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― Variable Unit Meaning ――――――――――――――――――――――――――――――――――― α Coefficient by vibration mode. At the lowest order of square plate, α ≈ 35.99. ν Poisson's ratio of the whole diaphragm (here, 0.3). t [m] Total diaphragm thickness. t i [m] Thickness of the i-th layer. ρ [kg / m 3 ] Volume mass density of the entire diaphragm. ρ i [kg / m 3 ] Density of the material of the i-th layer. E i [Pa] Young's modulus of the material of the i-th layer. h i [m] Height of the i-th layer. K [Nm] Bending rigidity of the diaphragm. ―――――――――――――――――――――――――――――――――――

【0041】ダイアフラムの1辺の長さを0.5mm又
は0.6mmとすると、上記数4から図1に示す構造の
共振周波数frを計算すると次式のようになる。
When the length of one side of the diaphragm is 0.5 mm or 0.6 mm, the resonance frequency fr of the structure shown in FIG.

【0042】[0042]

【数5】 fr=147[kHz],a=0.5[mm]のとき[Equation 5] When fr = 147 [kHz] and a = 0.5 [mm]

【数6】 fr=102[kHz],a=0.6[mm]のとき[Equation 6] When fr = 102 [kHz] and a = 0.6 [mm]

【0043】なお、これらの値はすべてバルクでの材料
定数であるので、実際に作製した薄膜で構成されるセン
サではこの値からずれる可能性がある。アレイのサイズ
は、実際には特定のアプリケーション毎に決まるチップ
サイズから制限を受ける。ここでは、本実施形態に係る
アプリケーションに対して包括的に適用し得るチップサ
イズとして、TO−79型金属パッケージを基準サイズ
とした。このパッケージは、ピンが0.1インチ間隔で
並んでおり、縦横9本で「ロ」の字形を作っているの
で、ピン中心で0.8インチ角=20.32mm角とな
り、搭載可能なチップサイズは19mm程度となる。ほ
ぼ腕時計に収まるサイズである。これらの点を考慮し
て、図2に示すようなリングアレイの配置とした。素子
のサイズはa=0.5mm及びa=0.6mmの2種類
の超音波アレイセンサ装置30を作製した。各素子は、
正六角形の各頂点、中心及び辺の等分点に配置されてお
り、隣接素子間隔はb=1.7mm及びb=2.2mm
とした。ここで素子サイズと素子間隔の組合せについて
は、リングアレイによる鋭い指向性を目的としたa=
0.5mm、b=2.2mmのものと、グレーティング
ローブの影響なく電子走査可能なa=0.6mm、b=
1.7mmのものの2種類の超音波アレイセンサ装置3
0とした。
Since all of these values are material constants in bulk, there is a possibility that they will deviate from these values in a sensor formed of an actually manufactured thin film. The size of the array is actually limited by the chip size, which depends on the particular application. Here, a TO-79 type metal package is used as a reference size as a chip size that can be comprehensively applied to the application according to the present embodiment. In this package, the pins are arranged at 0.1-inch intervals, and the vertical and horizontal nines form a "B" shape, so the center of the pin is 0.8-inch square = 20.32mm square, and the mountable chip The size is about 19 mm. The size fits almost in a wristwatch. Considering these points, the ring array is arranged as shown in FIG. Two types of ultrasonic array sensor devices 30 having element sizes a = 0.5 mm and a = 0.6 mm were manufactured. Each element is
They are arranged at the vertices of the regular hexagon, the center, and the equal points of the sides, and the adjacent element intervals are b = 1.7 mm and b = 2.2 mm.
And Here, regarding the combination of the element size and the element spacing, a =
0.5 mm, b = 2.2 mm, and electronically scannable a = 0.6 mm, b = without influence of grating lobe
Two types of ultrasonic array sensor device 3 of 1.7 mm
It was set to 0.

【0044】図2のアレイ配置により、最大で三重リン
グプラス中心で合計37個の超音波センサ素子20のア
レイを構成できる。このような構成にしておけば、たと
え各素子の特性がばらついていても、比較的特性の揃っ
た一群の素子を選ぶことによって、リニアアレイや小規
模なリングアレイを構成して特性評価を行なうこともで
きる。
The array arrangement shown in FIG. 2 makes it possible to construct an array of 37 ultrasonic sensor elements 20 in total at the center of the triple ring plus. With such a configuration, even if the characteristics of each element vary, a group of elements having relatively uniform characteristics is selected to configure a linear array or a small-scale ring array to perform characteristic evaluation. You can also

【0045】次いで、超音波センサ素子20の作製プロ
セスについて以下に説明する。上述のように、薄板構造
をダイアフラム構造とし、圧電層としてスピンコートに
よるゾルゲル製膜法を用いる。このゾルゲル製膜法は、
複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により
粘度調整した前駆体溶液を,スピンコートによって製膜
し(ゲル膜)、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのこ
とである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完
了した後である。上記ゾルゲル製膜法で用いるPZTゾ
ルゲル前駆体溶液の組成を次の表に示す。
Next, the manufacturing process of the ultrasonic sensor element 20 will be described below. As described above, the thin plate structure is the diaphragm structure, and the sol-gel film forming method by spin coating is used as the piezoelectric layer. This sol-gel film forming method is
This is a film forming process in which a precursor solution in which a complex metal alkoxide solution has a viscosity adjusted by hydrolysis and polycondensation is formed by spin coating (gel film) and crystallized by heat treatment. The piezoelectric layer is formed after the anisotropic etching is completed. The composition of the PZT sol-gel precursor solution used in the sol-gel film forming method is shown in the following table.

【0046】[0046]

【表2】 PZTゾルゲル前駆体溶液の組成 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 溶媒 2−メトキシエタノール ――――――――――――――――――――――――――――――――――― Pb成分 酢酸鉛3水和物 Zr成分 Zrノルマルブトキシド Ti成分 Tiイソプロポキシド ――――――――――――――――――――――――――――――――――― PZT組成 Pb:Zr:Ti=115:52:48 濃度 Pb1.15Zr0.52Ti0.483.15として15%w t ―――――――――――――――――――――――――――――――――――[Table 2] Composition of PZT sol-gel precursor solution ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― Solvent 2-methoxy Ethanol ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― Pb component Lead acetate trihydrate Zr component Zr Normal butoxide Ti Ingredients Ti isopropoxide ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― PZT composition Pb: Zr: Ti = 115: 52:48 Concentration Pb 1.15 Zr 0.52 Ti 0.48 O 15% as 3.15 % w t ――――――――――――――――――――――――――― ――――――――――

【0047】(a)出発基板として市販のSOI(Sili
con On Insulator)構造を有する半導体チップウエハ1
0を用いる。ここで、半導体チップウエハ10は、裏面
に厚さ0.4μmのSiOにてなる絶縁膜層11を有
するSi半導体基板10上に、厚さ0.1μmのSiO
にてなる絶縁膜層13を介して厚さ2.2μmのSi
半導体活性層14が形成されてなる。4インチ基板1枚
を2インチ相当の八角形2枚にダイシングして用いる。
2インチ相当ウエハ当たり4チップを配置している。
(A) A commercially available SOI (Sili
semiconductor chip wafer 1 having a con on insulator structure
0 is used. Here, the semiconductor chip wafer 10 has a thickness of 0.1 μm of SiO on the Si semiconductor substrate 10 having an insulating film layer 11 of SiO 2 having a thickness of 0.4 μm on the back surface.
Si thickness 2.2μm through the insulating film layer 13 made at 2
The semiconductor active layer 14 is formed. One 4-inch substrate is diced into two 2-inch octagons.
4 chips are arranged per 2 inch wafer.

【0048】(b)異方性エッチング時のマスク用及び
下部電極層16間の絶縁のために半導体チップウエハ1
0の両面を熱酸化する。炉内温度1,000°Cにて、
最初O を5.0リットル/分のみで5分間ドライ酸化
した後、O(5.0リットル/分)+H(4.5リ
ットル/分)で90分ウェット酸化する。絶縁膜層17
の厚さは0.38〜0.44μmで、EPW(Ethylene
diamine Pyrocatechol Water;エチレンジアミン(強ア
ルカリ性の液体)と、 ピロカテコール(粒状のアルコ
ール)と、水との混合液で、シリコンの異方性エッチン
グに用いるエッチング液である。)による異方性エッチ
ングに十分耐える厚さである。
(B) For mask during anisotropic etching and
Semiconductor chip wafer 1 for insulation between lower electrode layers 16
Both sides of 0 are thermally oxidized. At the furnace temperature of 1,000 ° C,
First O TwoDry oxidation for 5 minutes with only 5.0 liters / minute
After doing OTwo(5.0 liters / minute) + HTwo(4.5 ri
Wet oxidize for 90 minutes at 90 minutes. Insulating film layer 17
Has a thickness of 0.38 to 0.44 μm, and EPW (Ethylene
diamine Pyrocatechol Water; ethylenediamine (strong
Lucarily liquid) and pyrocatechol (granular alco
Mixture of water) and water, anisotropic etching of silicon
It is an etching solution used for etching. ) Anisotropic etch
It is thick enough to withstand

【0049】(c)下部電極層16としてPt/Tiを
RFスパッタ装置により製膜する。Arガス流量44s
ccmでかつ1Paの雰囲気において、まず、Tiを5
00Wで1分、次に、Ptを200Wで10分間スパッ
タリングすることにより、それぞれ膜厚0.02μm及
び0.2μmを得る。フォトレジストによるリフトオフ
によりパターニングするため製膜時に加熱することはで
きないが、作製した膜をX線回折装置(以下、XRD
(X-Ray Diffractometer)により評価すると、Pt(1
11)単一配向でPZTセラミックス薄膜層17の下部
電極層16として十分良質の薄膜が形成されることを確
認している。
(C) Pt / Ti is deposited as the lower electrode layer 16 by an RF sputtering device. Ar gas flow rate 44s
In an atmosphere of ccm and 1 Pa, first, Ti was changed to 5
Sputtering was performed at 00 W for 1 minute and then at 200 W for 10 minutes to obtain film thicknesses of 0.02 μm and 0.2 μm, respectively. The film cannot be heated during film formation because it is patterned by lift-off with a photoresist, but the formed film is processed by an X-ray diffractometer (hereinafter referred to as XRD).
When evaluated by (X-Ray Diffractometer), Pt (1
11) It has been confirmed that a sufficiently good quality thin film is formed as the lower electrode layer 16 of the PZT ceramics thin film layer 17 with a single orientation.

【0050】(d)異方性エッチング用の窓として裏面
の絶縁膜層11をBHF(Buffered Hydro-Fluoric aci
d;緩衝弗酸(弱酸性の液体)、すなわち、弗酸と弗化
アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッ
チングするために用いる。)のエッチング液でエッチン
グする。この際、裏面の窓のパターンが表面のセンサ用
ダイアフラムの下部電極16の電極パターンと正確に重
なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせ
を行なう。
(D) As a window for anisotropic etching, the insulating film layer 11 on the back surface is covered with BHF (Buffered Hydro-Fluoric Acid).
d; Buffered hydrofluoric acid (weakly acidic liquid), that is, a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride, which is mainly used for etching silicon oxide. ) Etching solution. At this time, pattern matching is performed by a double-sided mask aligner so that the pattern of the window on the back surface exactly overlaps with the electrode pattern of the lower electrode 16 of the sensor diaphragm on the front surface.

【0051】(e)異方性エッチングによりダイアフラ
ム構造を形成する。エッチャントとしてはEPWを用
い、114°Cで8〜10時間エッチングを行なう。半
導体チップウエハ10内の各エッチングホールで、エッ
チングレートが若干ばらついたが、SOI構造のI層で
ある絶縁膜層13でエッチングはほぼ停止するので、最
もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッ
チングを行なうことにより、ダイアフラム構造を完成し
た。
(E) A diaphragm structure is formed by anisotropic etching. EPW is used as an etchant, and etching is performed at 114 ° C. for 8 to 10 hours. Although the etching rate slightly fluctuates in each etching hole in the semiconductor chip wafer 10, since the etching is almost stopped at the insulating film layer 13 which is the I layer of the SOI structure, the etching rate is adjusted to the etching hole having the slowest etching rate. By doing so, the diaphragm structure was completed.

【0052】(f)SOI構造のI層である絶縁膜層1
3は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であ
るが、最終的な構造としては内部応力の原因となり得る
ので、異方性エッチング終了後除去する必要がある。通
常の熱酸化膜であるので、BHFによりエッチングする
ことで除去する。
(F) Insulating film layer 1 which is the I layer of the SOI structure
3 is indispensable as the above-mentioned anisotropic etching stop layer, but since it can cause internal stress in the final structure, it must be removed after the anisotropic etching is completed. Since it is a normal thermal oxide film, it is removed by etching with BHF.

【0053】(g)ゾルゲル製膜法により圧電層として
PZTセラミックス薄膜層17を製膜する。圧電層製膜
後下部電極のコンタクトホールとしてPZTセラミック
スを弗硝酸(HF:HNO:HO=1:1:10
0)でエッチングする。1μmの厚みのPZTセラミッ
クス薄膜層17をエッチングするために要する時間は1
0〜30秒で、この際のサイドエッチング量は5〜10
μmである。
(G) A PZT ceramic thin film layer 17 is formed as a piezoelectric layer by the sol-gel film forming method. After forming the piezoelectric layer, PZT ceramics was used as a contact hole for the lower electrode by using hydrofluoric nitric acid (HF: HNO 3 : H 2 O = 1: 1: 10).
Etching with 0). The time required to etch the PZT ceramic thin film layer 17 having a thickness of 1 μm is 1
0 to 30 seconds, the side etching amount at this time is 5 to 10
μm.

【0054】(h)PZTセラミックス薄膜層17の短
絡保護及び上部電極層18の面積制御のための絶縁膜層
25としてフォトレジスト層を形成してパターニングす
る。フォトレジストの対有機溶媒耐性を上げるために、
ポストベイクにて120°Cから200°Cまで徐々に
温度を上げ硬化させる。これによりレジストはアセトン
にほとんど溶解しなくなる。
(H) A photoresist layer is formed and patterned as the insulating film layer 25 for short circuit protection of the PZT ceramics thin film layer 17 and area control of the upper electrode layer 18. To increase the resistance of photoresist to organic solvents,
The temperature is gradually raised from 120 ° C to 200 ° C by post-baking to cure. As a result, the resist becomes almost insoluble in acetone.

【0055】(i)上部電極層18としてPtをRFス
パッタ装置により製膜する。製膜条件は工程(c)と同
じで膜厚0.2μmである。超音波センサ素子20の上
部電極層18としては工程(h)のフォトレジスト層で
電極形状を形成しているので特にパターニングを必要と
しない。また、工程(h)での高温のベイクによりレジ
ストの段差部に十分緩やかなテーパが生じるので、上部
電極層18が断線することはない。なお、下部電極層1
6のコンタクトホール上のマスキングには耐熱性カプト
ンテープを使用する。
(I) Pt is deposited as the upper electrode layer 18 by an RF sputtering apparatus. The film forming conditions are the same as in step (c) and the film thickness is 0.2 μm. As the upper electrode layer 18 of the ultrasonic sensor element 20, the electrode shape is formed by the photoresist layer in the step (h), so patterning is not particularly required. Further, since the high temperature baking in the step (h) causes a sufficiently gentle taper in the step portion of the resist, the upper electrode layer 18 is not broken. The lower electrode layer 1
Heat-resistant Kapton tape is used for masking the contact hole of No. 6.

【0056】以上のプロセスで超音波センサ素子20を
作製した後、八角形の2インチ相当ウウエハ10をダイ
シングし4チップを分離して、パッケージに固定し各電
極層16,18に対してボンディング19により引き出
し導線21,22を接続した後、それぞれの引き出し導
線21,22を端子T1,T2に接続し、ボンディング
してセンサチップを完成する。
After the ultrasonic sensor element 20 is manufactured by the above process, the octagonal 2-inch equivalent wafer 10 is diced to separate 4 chips, which are fixed in a package and bonded 19 to each electrode layer 16 and 18. After connecting the lead wires 21 and 22 by, the lead wires 21 and 22 are connected to the terminals T1 and T2 and bonded to complete the sensor chip.

【0057】次いで、以上のように製造された超音波セ
ンサ素子20を並置してなる超音波アレイセンサ装置3
0を備えた、電子走査による物体位置測定装置におけ
る、従来技術の項で述べた「物体認識が不可能になった
原因」について考察する。
Next, the ultrasonic array sensor device 3 in which the ultrasonic sensor elements 20 manufactured as described above are juxtaposed.
The "cause that object recognition is impossible" described in the section of the prior art in an object position measuring device by electronic scanning equipped with 0 will be considered.

【0058】図13では3.4ミリ秒付近及び4ミリ秒
付近に大きな反射波があり、これらの遅延時間に対応す
る場所に反射物体が存在すると推定できるが、図14で
はこれらの位置以外にも多くの反射波形が出現している
ように見える。しかしながら、これを詳しく見ると物体
による反射に伴う鋭い立ち上がりは、3.4ミリ秒及び
4ミリ秒付近のものだけで、他のピーク波形は立ち上が
りが鈍った形になっていることが分かり、「うなりの現
象」が起こっていることを示唆する。実際に、図13の
信号波形をフーリエ変換して、各素子の共振周波数を求
めたところ、次の表に示す値となり、素子間で最大1
2.1kHzの差があることが分かった。これは、図1
4に見られる「うなり」の周期約0.083ミリ秒に良
く一致する。
In FIG. 13, there are large reflected waves near 3.4 ms and 4 ms, and it can be estimated that a reflecting object exists at a location corresponding to these delay times. It seems that many reflection waveforms are appearing. However, looking at this in detail, it can be seen that the sharp rising due to the reflection by the object is only around 3.4 ms and 4 ms, and the other peak waveforms have a dull rising shape. Suggests that the "beat phenomenon" is occurring. Actually, the signal waveform of FIG. 13 was Fourier-transformed to obtain the resonance frequency of each element, and the values were as shown in the following table.
It was found that there was a difference of 2.1 kHz. This is
It is in good agreement with the "beat" period of about 0.083 milliseconds shown in Fig. 4.

【0059】[0059]

【表3】図13の受信波形から求めた リニアアレイの各超音波センサ素子20の共振周波数 ――――――――――――――――――――― 超音波センサ素子20 共振周波数 ――――――――――――――――――――― 20−1 95.4kHz 20−2 107.5kHz 20−3 97.7kHz 20−4 100.1kHz ――――――――――――――――――――― (注)周波数分解能:61Hz[Table 3] Obtained from the received waveform in FIG. Resonant frequency of each ultrasonic sensor element 20 of the linear array ――――――――――――――――――――― Ultrasonic sensor element 20 resonance frequency ――――――――――――――――――――― 20-1 95.4 kHz 20-2 107.5 kHz 20-3 97.7 kHz 20-4 100.1 kHz ――――――――――――――――――――― (Note) Frequency resolution: 61Hz

【0060】遅延加算による電子走査では、特定の方向
からの入射波が、波面とアレイ面30sとのなす角度に
由来する各超音波センサ素子20毎へ到着時間差のため
に位相ずれを生じ、これを電子的にずれと逆向きに補正
することにより特定方向成分を取り出すことが可能にな
る。ところが、各超音波センサ素子20から出力される
信号の周波数が揃っていない場合、反射波の立ち上がり
付近では各超音波センサ素子20間で正しい位相関係に
あっても、完全に減衰し終えるまでに各超音波センサ素
子20間の周波数差に由来する位相ずれが生じ、本来打
ち消し合うべき波が消えずに残ったり、あるいは同位相
で強め合うはずの波が逆に消えてしまうといったことが
起こる。各超音波センサ素子20間の周波数差が顕著な
場合は、この現象が「うなり」となって図14のような
信号波形を生じたものと考えられる。
In electronic scanning by delay addition, an incident wave from a specific direction causes a phase shift due to a difference in arrival time for each ultrasonic sensor element 20 due to the angle formed by the wavefront and the array surface 30s. It is possible to extract the specific direction component by electronically correcting the direction opposite to the deviation. However, when the frequencies of the signals output from the ultrasonic sensor elements 20 are not uniform, even if the ultrasonic sensor elements 20 have a correct phase relationship near the rising edge of the reflected wave, the signals are not completely attenuated by the time they are completely attenuated. A phase shift occurs due to the frequency difference between the ultrasonic sensor elements 20, and waves that should originally cancel each other remain or disappear, or waves that should strengthen each other in the same phase disappear. When the frequency difference between the ultrasonic sensor elements 20 is remarkable, it is considered that this phenomenon caused a “beat” and a signal waveform as shown in FIG. 14 was generated.

【0061】この「うなり」の現象を回避する方法は二
つ考えられる。一つは、減衰を非常に急峻にすることに
より、大きな位相ずれが生じる前に完全に減衰させてし
まうこと、もう一つは超音波センサ素子20毎の共振周
波数を一致させることである。前者は、超音波センサ素
子20の機械的Q値を非常に小さくすることを意味し、
換言すれば共振を利用しないということになる。しかし
ながら、現状の超音波センサ素子20は共振を利用して
大振幅を得ることにより大きな出力を取り出しているた
め、Q値を下げることは感度の低下を意味する。現状で
超音波センサ素子20からの出力信号が100μVのオ
ーダーなので、感度の低下を招くと信号対雑音電力比
(S/N)的に検出が難しくなってくる。そこで、ここ
では後者の共振周波数を一致させる方法を検討する。
There are two possible methods for avoiding this "beat" phenomenon. One is to make the attenuation extremely steep so that the phase is completely attenuated before a large phase shift occurs, and the other is to make the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 coincide with each other. The former means to make the mechanical Q value of the ultrasonic sensor element 20 extremely small,
In other words, the resonance is not used. However, since the current ultrasonic sensor element 20 obtains a large output by using resonance to obtain a large amplitude, lowering the Q value means lowering the sensitivity. At present, since the output signal from the ultrasonic sensor element 20 is on the order of 100 μV, if the sensitivity is lowered, it becomes difficult to detect the signal-to-noise power ratio (S / N). Therefore, here, the latter method of matching the resonance frequencies will be examined.

【0062】ダイアフラム上に強誘電体を製膜した構造
において、バイアス電圧を印加することによりその振動
周波数を変化させ得ることが知られている(例えば、従
来技術文献1「P. Muralt et al., "Piezoelectric act
uation of PZT thin-film diaphragms at static and r
esonant conditions", Sensors and Actuators, Elsevi
er Science S.A., A53, pp.398-404, 1996」など参
照。)。この従来技術文献1においては、圧電センサに
対するバイアス電圧を印加することにより振動周波数を
変化させることが開示されている。
It is known that in a structure in which a ferroelectric film is formed on a diaphragm, its vibration frequency can be changed by applying a bias voltage (for example, in prior art document 1 “P. Muralt et al. , "Piezoelectric act
uation of PZT thin-film diaphragms at static and r
esonant conditions ", Sensors and Actuators, Elsevi
er Science SA, A53, pp.398-404, 1996 ”. ). This prior art document 1 discloses that the vibration frequency is changed by applying a bias voltage to the piezoelectric sensor.

【0063】上述のように製造した超音波センサ素子2
0について、バイアス電圧に対するキャパシタンスの周
波数特性の変化を図16乃至図19に示す。この測定に
おいては、50mVの交流信号に対して以下に示すバイ
アス電圧を重畳させた信号を用いて、キャパシタンスの
周波数特性を測定した。ここで、バイアス電圧は以下の
場合について、これらの特性を測定した。また、測定さ
れるキャパシタンス(静電容量)は、強誘電体の等価回
路がキャパシタと抵抗の並列回路であることを仮定して
測定したものである。
Ultrasonic sensor element 2 manufactured as described above
16 to 19 show changes in the frequency characteristics of the capacitance with respect to 0 for the bias voltage. In this measurement, the frequency characteristic of the capacitance was measured using a signal in which the bias voltage shown below was superimposed on the AC signal of 50 mV. Here, the bias voltage was measured for these characteristics in the following cases. Further, the measured capacitance (electrostatic capacitance) is measured on the assumption that the equivalent circuit of the ferroelectric substance is a parallel circuit of a capacitor and a resistor.

【0064】(1)バイアス電圧を0Vから10Vに変
化したとき(図16)。 (2)バイアス電圧を10Vから0Vに変化したとき
(図17)。 (3)バイアス電圧を0Vから−10Vに変化したとき
(図18)。 (4)バイアス電圧を−10Vから0Vに変化したとき
(図19)。
(1) When the bias voltage is changed from 0V to 10V (FIG. 16). (2) When the bias voltage is changed from 10V to 0V (FIG. 17). (3) When the bias voltage is changed from 0V to −10V (FIG. 18). (4) When the bias voltage is changed from −10V to 0V (FIG. 19).

【0065】図16乃至図19から明らかなように、バ
イアス電圧に対して共振周波数がシフトしている様子が
分かる。また、10Vから0Vへのバイアス電圧変化及
び−10Vから0Vへのバイアス電圧変化に対しては、
共振周波数は一様に上昇しているが、0Vから10Vへ
のバイアス電圧変換及び0Vから−10Vへのバイアス
電圧変化に対しては、共振周波数は一旦上昇した後下降
している。この共振点の周波数の変化をバイアス電圧に
対してプロットしたものを図20に示す。二つの山のあ
るヒステリシスを描き、その様子は図21に示すC−V
カーブと同様の変化であることが分かる。
As is apparent from FIGS. 16 to 19, it can be seen that the resonance frequency is shifted with respect to the bias voltage. Also, for a bias voltage change from 10V to 0V and a bias voltage change from -10V to 0V,
The resonance frequency rises uniformly, but for the bias voltage conversion from 0V to 10V and the bias voltage change from 0V to -10V, the resonance frequency once rises and then falls. FIG. 20 shows a plot of the change in frequency at the resonance point against the bias voltage. A hysteresis with two peaks is drawn, and the appearance is C-V shown in Fig. 21.
It can be seen that the change is similar to the curve.

【0066】このように、バイアス電圧を印加すること
により共振周波数を調整することができる。以上説明し
たように、超音波センサ素子20の測定動作中におい
て、強誘電体に対してダメージを与えるおそれがあるバ
イアス電圧を使用せず、上記2つの電極16,18間に
所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ
素子20の共振周波数を変化させることができる。ま
た、図2に示すように、複数の超音波センサ素子20を
並置してなる超音波アレイセンサ装置30において、複
数の超音波センサ素子20の測定動作中において、各超
音波センサ素子20の2つの電極間16,18にそれぞ
れ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波
センサ素子20の共振周波数が互いに実質的に一致する
ように変化させることができる。すなわち、本実施形態
によれば、きわめて簡単にかつ高精度で各超音波センサ
素子20の共振周波数を変化させることができ、複数の
超音波センサ素子20の共振周波数を互いに実質的に一
致させることができ(揃えることができ)、上述の超音
波アレイセンサ装置30を備えた物体位置測定装置にお
いて、当該センサの感度を高めることができ、被測定物
体51,52の位置測定を含む物体認識を行うことが可
能になる。
In this way, the resonance frequency can be adjusted by applying the bias voltage. As described above, during the measurement operation of the ultrasonic sensor element 20, a bias voltage that may damage the ferroelectric is not used, and a predetermined bias voltage is applied between the two electrodes 16 and 18. By applying, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 can be changed. In addition, as shown in FIG. 2, in the ultrasonic array sensor device 30 in which a plurality of ultrasonic sensor elements 20 are arranged side by side, during the measurement operation of the plurality of ultrasonic sensor elements 20, 2 By applying a predetermined bias voltage between the two electrodes 16 and 18, the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 can be changed so as to substantially match each other. That is, according to the present embodiment, the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 can be changed very easily and highly accurately, and the resonance frequencies of the plurality of ultrasonic sensor elements 20 can be substantially matched with each other. In the object position measuring device including the ultrasonic array sensor device 30 described above, the sensitivity of the sensor can be increased, and the object recognition including the position measurement of the measured objects 51 and 52 can be performed. It will be possible to do.

【0067】以上の実施形態において、アレイセンサで
ある超音波アレイセンサ装置30としての測定の際にバ
イアス電圧を印加したままで用いることは、各超音波セ
ンサ素子20からの出力信号の測定回路系を複雑にし、
また長時間の直流電界の印加はPZTセラミックス薄膜
層17にダメージを与えることになるという新たな問題
点が生じる。
In the above embodiment, when the ultrasonic array sensor device 30, which is an array sensor, is used with the bias voltage applied during the measurement, the measuring circuit system for the output signal from each ultrasonic sensor element 20 is used. Complicates
Moreover, the application of the DC electric field for a long time causes a new problem that the PZT ceramic thin film layer 17 is damaged.

【0068】これを解決するために、バイアス電界印加
時と同様の効果を、超音波センサ素子20に対するポー
リング処理(強誘電体を残留分極状態にして分子を配向
させ電器双極子を固定する処理)によって得ることを試
みた。各超音波センサ素子20の強誘電体に対して所定
の直流電圧を印加して直流電界を印加することにより、
各電界において1分間ポーリングを行なった後、パルス
超音波を照射してその出力信号をフーリエ変換すること
によりそのピーク周波数から超音波センサ素子20の共
振周波数を計算した。超音波センサ素子20の機械的共
振周波数のポーリング電界依存性を図22に示す。図2
2から明らかなように、バイアス電界依存性と同様のカ
ーブを描くことが分かる。これにより、直流電界を印加
し続けなくても共振周波数を所定の周波数にチューニン
グ(同調)することができる。
In order to solve this, the same effect as when a bias electric field is applied is obtained by a poling process for the ultrasonic sensor element 20 (a process in which a ferroelectric substance is in a remanent polarization state to orient molecules and fix an electric dipole). Tried to get by. By applying a predetermined DC voltage to the ferroelectric substance of each ultrasonic sensor element 20 and applying a DC electric field,
After performing polling for 1 minute in each electric field, a pulse ultrasonic wave was irradiated and the output signal was Fourier-transformed to calculate the resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 from the peak frequency. FIG. 22 shows the dependence of the mechanical resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 on the poling electric field. Figure 2
As is clear from 2, it is understood that a curve similar to the bias electric field dependency is drawn. Thereby, the resonance frequency can be tuned to a predetermined frequency without continuously applying the DC electric field.

【0069】この方法を用いて、実際にアレイセンサで
ある超音波アレイセンサ装置30内の各超音波センサ素
子20の共振周波数が互いに実質的に一致するようにチ
ューニングして、共振周波数を揃えたアレイセンサであ
る超音波アレイセンサ装置30を形成し、従来技術と同
様の遅延加算による電子走査を試みた。素子の配置は図
6(a)と同様であり、また超音波センサ素子20と超
音波音源40と被測定物体51,52の配置も図7と同
様とした。
Using this method, tuning is performed so that the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 in the ultrasonic array sensor device 30 which is actually an array sensor substantially match each other, and the resonance frequencies are aligned. An ultrasonic array sensor device 30 which is an array sensor was formed, and an electronic scanning by delay addition similar to the conventional technique was tried. The arrangement of the elements is the same as that in FIG. 6A, and the arrangement of the ultrasonic sensor element 20, the ultrasonic sound source 40, and the measured objects 51 and 52 is also the same as that in FIG. 7.

【0070】共振周波数のチューニング後の各超音波セ
ンサ素子20からの出力信号の波形を図23に示す。図
23から明らかなように、これまでと同様に2つの被測
定物体51,52からの反射波が明瞭にとらえられてい
る。次いで、これら波形を用いて遅延加算を行なった信
号波形を図24に示す。各超音波センサ素子20の共振
周波数が揃っているので、「うなり」を生ずることもな
く、疑似アレイの場合と同様に物体の存在が示唆される
信号波形となる。
FIG. 23 shows the waveform of the output signal from each ultrasonic sensor element 20 after tuning the resonance frequency. As is clear from FIG. 23, the reflected waves from the two measured objects 51 and 52 are clearly captured as in the past. Next, FIG. 24 shows a signal waveform obtained by performing delay addition using these waveforms. Since the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 are the same, a "beat" does not occur, and the signal waveform indicates the presence of an object as in the case of the pseudo array.

【0071】さらに、各走査角度毎の波形の最大振幅と
遅延時間を図25に示す。2つの被測定物体51,52
の存在を示す最大振幅値のピークが明瞭に確認でき、最
大値の80%をもって容易にしきい値を決めることがで
きる。図25に基づいて、上述の物体位置測定装置を用
いて物体配置の再構成を行なった結果を図26に示す。
図26から明らかなように、疑似アレイの場合と同様
の、測定系における物体配置が正しく再構成されている
ことが分かる。
Further, FIG. 25 shows the maximum amplitude and delay time of the waveform for each scanning angle. Two measured objects 51, 52
It is possible to clearly confirm the peak of the maximum amplitude value that indicates the presence of, and it is possible to easily determine the threshold value with 80% of the maximum value. FIG. 26 shows the result of reconstructing the object arrangement using the above-mentioned object position measuring device based on FIG.
As is apparent from FIG. 26, it can be seen that the object arrangement in the measurement system is reconstructed correctly, as in the case of the pseudo array.

【0072】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、超音波センサ素子20の測定動作前において、例え
ば1秒乃至1時間である所定の時間にわたって、2つの
電極16,18間に所定の電圧を印加することにより所
定の電界を印加して、超音波センサ素子20に対してポ
ーリングを行うことにより超音波センサ素子20の共振
周波数を変化させることができる。また、超音波アレイ
センサ装置30において、複数の超音波センサ素子20
の測定動作前において、例えば1秒乃至1時間である所
定の時間にわたって、各超音波センサ素子20の2つの
電極間16,18にそれぞれ所定の電圧を印加すること
により所定の電界を印加して、複数の超音波センサ素子
20に対してポーリングを行うことにより各超音波セン
サ素子20の共振周波数が互いに実質的に一致するよう
に変化させることができる。すなわち、本実施形態によ
れば、きわめて簡単にかつ高精度で各超音波センサ素子
20の共振周波数を変化させることができ、複数の超音
波センサ素子20の共振周波数を互いに実質的に一致さ
せることができ(揃えることができ)、上述の超音波ア
レイセンサ装置30を備えた物体位置測定装置におい
て、当該センサの感度を高めることができ、被測定物体
51,52の位置測定を含む物体認識を行うことが可能
になる。
As described above, according to this embodiment, before the measurement operation of the ultrasonic sensor element 20, a predetermined period between the two electrodes 16 and 18 is maintained for a predetermined period of time, for example, 1 second to 1 hour. By applying a voltage, a predetermined electric field is applied, and by polling the ultrasonic sensor element 20, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element 20 can be changed. In addition, in the ultrasonic array sensor device 30, a plurality of ultrasonic sensor elements 20
Before the measurement operation of 1., a predetermined electric field is applied by applying a predetermined voltage between the two electrodes 16 and 18 of each ultrasonic sensor element 20 for a predetermined time of, for example, 1 second to 1 hour. By polling the plurality of ultrasonic sensor elements 20, the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 can be changed so as to substantially match each other. That is, according to the present embodiment, the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements 20 can be changed very easily and highly accurately, and the resonance frequencies of the plurality of ultrasonic sensor elements 20 can be substantially matched with each other. In the object position measuring device including the ultrasonic array sensor device 30 described above, the sensitivity of the sensor can be increased, and the object recognition including the position measurement of the measured objects 51 and 52 can be performed. It will be possible to do.

【0073】以上の実施形態において、ポーリング処理
の時間は、より短い時間で分極が完了する所要時間であ
ればよいが、例えば、好ましくは、1秒乃至1時間、よ
り好ましくは1秒乃至10分、さらにより好ましくは1
秒乃至1分に設定される。なお、1秒以下であって、例
えば、10秒乃至30秒であってもよい。
In the above embodiment, the poling time may be a required time for completing polarization in a shorter time, but for example, preferably 1 second to 1 hour, more preferably 1 second to 10 minutes. , And even more preferably 1
Set to seconds to 1 minute. Note that it may be 1 second or less, for example, 10 seconds to 30 seconds.

【0074】以上の実施形態においては、圧電センサの
ための強誘電体として、PZTセラミックスを用いた
が、本発明はこれに限らず、チタン酸バリウム又はチタ
ン酸鉛などのセラミックス、もしくはポリ弗化ビニリデ
ンなどの高分子材料を用いてもよい。
In the above embodiments, PZT ceramics are used as the ferroelectric substance for the piezoelectric sensor, but the present invention is not limited to this, and ceramics such as barium titanate or lead titanate, or polyfluoride. A polymer material such as vinylidene may be used.

【0075】以上の実施形態においては、2つの電極1
6,18で挟設された強誘電体にてなる圧電センサを用
いて強誘電体に対して縦方向(厚さ方向)の電界が印加
されるようにしているが、本発明はこれに限らず、強誘
電体上に所定の間隔をおいて形成された2つの電極にバ
イアス電圧又はポーリング電圧を印加することにより、
強誘電体に対して横方向(平行平板方向)の電界が印加
するようにしてもよい。
In the above embodiment, the two electrodes 1
The electric field in the vertical direction (thickness direction) is applied to the ferroelectric substance by using the piezoelectric sensor made of the ferroelectric substance sandwiched by 6, 18; however, the present invention is not limited to this. First, by applying a bias voltage or a poling voltage to the two electrodes formed on the ferroelectric substance at a predetermined interval,
An electric field in the lateral direction (parallel plate direction) may be applied to the ferroelectric substance.

【0076】[0076]

【発明の効果】以上説明したように、本願の第1の発明
に係る超音波センサ素子の共振周波数の調整方法によれ
ば、強誘電体を2つの電極で挟設してなり、所定の共振
周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる超
音波センサ素子の共振周波数の調整方法であって、上記
超音波センサ素子の動作中において、上記2つの電極間
に所定のバイアス電圧を印加することにより上記超音波
センサ素子の共振周波数を変化させるステップを含む。
従って、超音波センサ素子の動作中において、上記2つ
の電極間に所定のバイアス電圧を印加することにより、
きわめて簡単にかつ高精度で各超音波センサ素子の共振
周波数を変化させることができる。
As described above, according to the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic sensor element according to the first invention of the present application, the ferroelectric substance is sandwiched between the two electrodes, and the predetermined resonance is achieved. A method of adjusting a resonance frequency of an ultrasonic sensor element, which comprises a piezoelectric sensor having a frequency to detect an ultrasonic wave, wherein a predetermined bias voltage is applied between the two electrodes during operation of the ultrasonic sensor element. Changing the resonance frequency of the ultrasonic sensor element by applying.
Therefore, by applying a predetermined bias voltage between the two electrodes during the operation of the ultrasonic sensor element,
The resonance frequency of each ultrasonic sensor element can be changed very easily and highly accurately.

【0077】また、本願の第2の発明に係る超音波アレ
イセンサ装置の共振周波数の調整方法によれば、強誘電
体を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有
して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてなる複数
の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ
装置のための調整方法であって、上記複数の超音波セン
サ素子の動作中において、上記各超音波センサ素子の2
つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加するこ
とにより、上記各超音波センサ素子の共振周波数が互い
に実質的に一致するように変化させるステップを含む。
従って、きわめて簡単にかつ高精度で各超音波センサ素
子の共振周波数を変化させることができ、複数の超音波
センサ素子の共振周波数を互いに実質的に一致させるこ
とができ(揃えることができ)、超音波アレイセンサ装
置を備えた物体位置測定装置において、当該センサの感
度を高めることができ、被測定物体の位置測定を含む物
体認識を行うことが可能になる。
Further, according to the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic array sensor device according to the second invention of the present application, the ferroelectric substance is sandwiched between the two electrodes and has a predetermined resonance frequency. A method for adjusting an ultrasonic array sensor device, comprising a plurality of ultrasonic sensor elements, each of which is composed of a piezoelectric sensor for detecting ultrasonic waves, and arranged side by side. 2 of ultrasonic sensor element
A step of applying a predetermined bias voltage between the two electrodes to change the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements to substantially match each other.
Therefore, the resonance frequency of each ultrasonic sensor element can be changed very easily and highly accurately, and the resonance frequencies of a plurality of ultrasonic sensor elements can be substantially matched with each other (can be aligned). In the object position measuring device equipped with the ultrasonic array sensor device, the sensitivity of the sensor can be increased and the object recognition including the position measurement of the measured object can be performed.

【0078】さらに、本願の第3の発明に係る超音波セ
ンサ素子の共振周波数の調整方法によれば、強誘電体を
2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して
超音波を検出する圧電センサにてなる超音波センサ素子
の共振周波数の調整方法であって、上記超音波センサ素
子の動作前において、所定の時間にわたって、上記2つ
の電極間に所定の電圧を印加することにより所定の電界
を印加して、上記超音波センサ素子に対してポーリング
を行うことにより上記超音波センサ素子の共振周波数を
変化させるステップを含む。従って、超音波センサ素子
の動作前において、強誘電体に対してダメージを与える
おそれがあるバイアス電圧を使用せず、2つの電極間に
所定のバイアス電圧を印加することにより、きわめて簡
単にかつ高精度で各超音波センサ素子の共振周波数を変
化させることができる。
Further, according to the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic sensor element according to the third aspect of the present invention, the ferroelectric substance is sandwiched between the two electrodes, and the ultrasonic wave has a predetermined resonance frequency. A method of adjusting a resonance frequency of an ultrasonic sensor element including a piezoelectric sensor that detects a sound wave, wherein a predetermined voltage is applied between the two electrodes for a predetermined time before the operation of the ultrasonic sensor element. Thus, a step of applying a predetermined electric field to polling the ultrasonic sensor element to change the resonance frequency of the ultrasonic sensor element is included. Therefore, before the operation of the ultrasonic sensor element, by applying a predetermined bias voltage between the two electrodes without using a bias voltage that may damage the ferroelectric substance, it is possible to achieve extremely high voltage. The resonance frequency of each ultrasonic sensor element can be changed with accuracy.

【0079】またさらに、本願の第4の発明に係る超音
波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法によれば、
強誘電体を2つの電極で挟設してなり、所定の共振周波
数を有して超音波を検出するそれぞれ圧電センサにてな
る複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイ
センサ装置のための調整方法であって、上記複数の超音
波センサ素子の動作前において、所定の時間にわたっ
て、上記各超音波センサ素子の2つの電極間にそれぞれ
所定の電圧を印加することにより所定の電界を印加し
て、上記複数の超音波センサ素子に対してポーリングを
行うことにより上記各超音波センサ素子の共振周波数が
互いに実質的に一致するように変化させるステップを含
む。従って、超音波センサ素子の動作前において、強誘
電体に対してダメージを与えるおそれがあるバイアス電
圧を使用せず、きわめて簡単にかつ高精度で各超音波セ
ンサ素子の共振周波数を変化させることができ、複数の
超音波センサ素子の共振周波数を互いに実質的に一致さ
せることができ(揃えることができ)、超音波アレイセ
ンサ装置を備えた物体位置測定装置において、当該セン
サの感度を高めることができ、被測定物体の位置測定を
含む物体認識を行うことが可能になる。
Furthermore, according to the resonance frequency adjusting method of the ultrasonic array sensor device in the fourth aspect of the present invention,
An ultrasonic array sensor device in which a ferroelectric material is sandwiched between two electrodes, and a plurality of ultrasonic sensor elements each having a predetermined resonance frequency and configured to detect ultrasonic waves are arranged side by side. And a predetermined electric field by applying a predetermined voltage between two electrodes of each of the ultrasonic sensor elements for a predetermined time before the plurality of ultrasonic sensor elements operate. Applying and polling the plurality of ultrasonic sensor elements to change the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements to substantially match each other. Therefore, before the operation of the ultrasonic sensor element, it is possible to change the resonance frequency of each ultrasonic sensor element very easily and highly accurately without using the bias voltage that may damage the ferroelectric substance. It is possible to make the resonance frequencies of the plurality of ultrasonic sensor elements substantially coincide with each other (can be aligned), and to enhance the sensitivity of the sensor in the object position measuring device equipped with the ultrasonic array sensor device. Therefore, it is possible to perform object recognition including position measurement of the measured object.

【0080】本願の第5の発明に係る超音波センサ素子
によれば、上記第1の発明に係る超音波センサ素子の共
振周波数の調整方法を用いて超音波センサ素子の共振周
波数を所定の共振周波数に設定した。従って、きわめて
簡単にかつ高精度で各超音波センサ素子の共振周波数を
変化させることができる超音波センサ素子を提供でき
る。
According to the ultrasonic sensor element of the fifth invention of the present application, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element is adjusted to a predetermined resonance by using the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic sensor element of the first invention. Set to frequency. Therefore, it is possible to provide an ultrasonic sensor element capable of changing the resonance frequency of each ultrasonic sensor element very easily and highly accurately.

【0081】また、本願の第6の発明に係る超音波アレ
イセンサ装置によれば、上記第2の発明に係る超音波ア
レイセンサ装置の共振周波数の調整方法を用いて複数の
超音波センサ素子の共振周波数を所定の同一の共振周波
数に設定した。従って、きわめて簡単にかつ高精度で各
超音波センサ素子の共振周波数を変化させ、複数の超音
波センサ素子の共振周波数を揃えることができる超音波
アレイセンサ装置を提供できる。
Further, according to the ultrasonic array sensor device of the sixth invention of the present application, a plurality of ultrasonic sensor elements are formed by using the resonance frequency adjusting method of the ultrasonic array sensor device of the second invention. The resonance frequency was set to a predetermined same resonance frequency. Therefore, it is possible to provide an ultrasonic array sensor device capable of changing the resonance frequency of each ultrasonic sensor element very easily and with high accuracy and aligning the resonance frequencies of a plurality of ultrasonic sensor elements.

【0082】さらに、本願の第7の発明に係る超音波セ
ンサ素子によれば、上記第3の発明に係る超音波センサ
素子の共振周波数の調整方法を用いて超音波センサ素子
の共振周波数を所定の共振周波数に設定した。従って、
超音波センサ素子の動作前において、強誘電体に対して
ダメージを与えるおそれがあるバイアス電圧を使用せ
ず、きわめて簡単にかつ高精度で各超音波センサ素子の
共振周波数を変化させることができる超音波センサ素子
を提供できる。
Further, according to the ultrasonic sensor element of the seventh invention of the present application, the resonance frequency of the ultrasonic sensor element is set to a predetermined value by using the method of adjusting the resonance frequency of the ultrasonic sensor element of the third invention. Set to the resonance frequency of. Therefore,
Before operating the ultrasonic sensor elements, it is possible to change the resonance frequency of each ultrasonic sensor element very easily and with high accuracy without using a bias voltage that may damage the ferroelectric substance. A sound wave sensor element can be provided.

【0083】またさらに、本願の第8の発明に係る超音
波アレイセンサ装置によれば、上記第4の発明に係る超
音波アレイセンサ装置の共振周波数の調整方法を用いて
複数の超音波センサ素子の共振周波数を所定の同一の共
振周波数に設定した。従って、強誘電体に対してダメー
ジを与えるおそれがあるバイアス電圧を使用せず、きわ
めて簡単にかつ高精度で各超音波センサ素子の共振周波
数を変化させ、複数の超音波センサ素子の共振周波数を
揃えることができる超音波アレイセンサ装置を提供でき
る。
Furthermore, according to the ultrasonic array sensor device of the eighth invention of the present application, a plurality of ultrasonic sensor elements are formed by using the resonance frequency adjusting method of the ultrasonic array sensor device of the fourth invention. The resonance frequency of 1 was set to a predetermined same resonance frequency. Therefore, the resonance frequency of each ultrasonic sensor element can be changed very easily and with high accuracy without using the bias voltage that may damage the ferroelectric substance. An ultrasonic array sensor device that can be aligned can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明に係る一実施形態である超音波センサ
素子20の構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an ultrasonic sensor element 20 according to an embodiment of the present invention.

【図2】 図1に図示された超音波センサ素子20を複
数個用いてアレイ配置したときの素子配置を示す超音波
アレイセンサ装置30を示す上面図である。
FIG. 2 is a top view showing an ultrasonic array sensor device 30 showing an element arrangement when a plurality of ultrasonic sensor elements 20 shown in FIG. 1 are arranged in an array.

【図3】 従来技術における超音波を用いた物体の位置
測定方法を示す概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for measuring the position of an object using ultrasonic waves in the related art.

【図4】 図3の物体の位置測定方法を用いた物体位置
測定装置の回路部を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a circuit portion of an object position measuring device using the object position measuring method of FIG.

【図5】 図4の物体位置測定装置の回路部における各
部における信号波形を示す波形図である。
5 is a waveform diagram showing signal waveforms at various portions in the circuit portion of the object position measuring device shown in FIG.

【図6】 (a)は図3の位置測定方法を用いたとき
の、4素子リニア疑似アレイにおける超音波センサ素子
20の配置と方位角を示す上面図であり、(b)は
(a)の4素子リニア疑似アレイにおける指向特性を示
すグラフである。
6A is a top view showing an arrangement and an azimuth angle of an ultrasonic sensor element 20 in a 4-element linear pseudo array when the position measuring method of FIG. 3 is used, and FIG. 4 is a graph showing directional characteristics in the 4-element linear pseudo array of FIG.

【図7】 図6(a)の4素子リニア疑似アレイを用い
た電子走査による物体位置測定装置の構成を示す概略ブ
ロック図である。
7 is a schematic block diagram showing the configuration of an object position measuring device by electronic scanning using the 4-element linear pseudo array of FIG. 6 (a).

【図8】 図7の電子走査による物体位置測定装置にお
ける各超音波センサ素子の受信波形を示す波形図であ
る。
8 is a waveform diagram showing a received waveform of each ultrasonic sensor element in the object position measuring device by electronic scanning in FIG.

【図9】 図7の電子走査による物体位置測定装置にお
ける4素子リニア疑似アレイでの遅延加算後の各信号波
形を示す波形図である。
9 is a waveform diagram showing each signal waveform after delay addition in a four-element linear pseudo array in the object position measuring device by electronic scanning in FIG. 7.

【図10】 図8の波形図において遅延加算後の信号波
形からの物体位置測定のための基準を示す波形図であ
る。
10 is a waveform diagram showing a reference for measuring an object position from a signal waveform after delay addition in the waveform diagram of FIG.

【図11】 図7の電子走査による物体位置測定装置に
おける反射波形の最大振幅と遅延時間の電子走査方位角
依存特性を示すグラフである。
11 is a graph showing the electronic scanning azimuth angle dependence characteristics of the maximum amplitude of the reflection waveform and the delay time in the electronic position measuring device by electronic scanning of FIG.

【図12】 図7の電子走査による物体位置測定装置に
よって測定された物体配置を示す上面図である。
12 is a top view showing an object arrangement measured by the electronic position measuring device by electronic scanning shown in FIG. 7. FIG.

【図13】 図7の電子走査による物体位置測定装置に
おけるリニアアレイでの各超音波センサ素子20の受信
波形を示す波形図である。
13 is a waveform diagram showing a reception waveform of each ultrasonic sensor element 20 in a linear array in the object position measuring device by electronic scanning in FIG.

【図14】 図7の電子走査による物体位置測定装置に
おけるリニアアレイでの遅延加算後の各信号波形を示す
波形図である。
14 is a waveform diagram showing each signal waveform after delay addition in a linear array in the object position measuring device by electronic scanning in FIG.

【図15】 図7の電子走査による物体位置測定装置に
おけるリニアアレイでの最大振幅と遅延時間の電子走査
方位角依存特性を示すグラフである。
15 is a graph showing an electronic scanning azimuth angle dependence characteristic of a maximum amplitude and a delay time in a linear array in the object position measuring device by electronic scanning in FIG.

【図16】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20においてバイアス電圧を0
Vから10Vに変化したときのキャパシタンスの周波数
特性のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。
16 is a diagram showing an ultrasonic sensor device 20 used in the electronic scanning object position measuring apparatus of FIG.
It is a graph which shows the bias voltage dependence characteristic of the frequency characteristic of capacitance when changing from V to 10V.

【図17】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20においてバイアス電圧を1
0Vから0Vに変化したときのキャパシタンスの周波数
特性のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。
17 is a diagram showing an ultrasonic sensor element 20 used in the electronic scanning object position measuring apparatus of FIG.
It is a graph which shows the bias voltage dependence characteristic of the frequency characteristic of capacitance when changing from 0V to 0V.

【図18】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20においてバイアス電圧を0
Vから−10Vに変化したときのキャパシタンスの周波
数特性のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。
18 is a diagram showing an ultrasonic sensor element 20 used in the object position measuring apparatus using electronic scanning shown in FIG.
It is a graph which shows the bias voltage dependence characteristic of the frequency characteristic of capacitance when changing from V to -10V.

【図19】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20においてバイアス電圧を−
10Vから0Vに変化したときのキャパシタンスの周波
数特性のバイアス電圧依存特性を示すグラフである。
FIG. 19 shows a bias voltage of − in the ultrasonic sensor element 20 used in the object position measuring apparatus by electronic scanning in FIG.
It is a graph which shows the bias voltage dependence characteristic of the frequency characteristic of a capacitance when changing from 10V to 0V.

【図20】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20における共振周波数のバイ
アス電圧依存特性を示すグラフである。
20 is a graph showing a bias voltage dependence characteristic of a resonance frequency in the ultrasonic sensor element 20 used in the object position measuring device by electronic scanning in FIG. 7. FIG.

【図21】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20におけるキャパシタンスの
バイアス電圧依存特性を示すグラフである。
21 is a graph showing a bias voltage dependence characteristic of capacitance in the ultrasonic sensor element 20 used in the object position measuring apparatus by electronic scanning in FIG. 7. FIG.

【図22】 図7の電子走査による物体位置測定装置で
用いた超音波センサ素子20における共振周波数のポー
リング電圧依存特性を示すグラフである。
22 is a graph showing a polling voltage dependence characteristic of a resonance frequency in the ultrasonic sensor element 20 used in the object position measuring device by electronic scanning in FIG. 7. FIG.

【図23】 本実施形態に係る周波数同調済みのリニア
アレイ超音波センサ装置30における各超音波センサ素
子20の受信波形を示す波形図である。
FIG. 23 is a waveform diagram showing a reception waveform of each ultrasonic sensor element 20 in the frequency-tuned linear array ultrasonic sensor device 30 according to the present embodiment.

【図24】 本実施形態に係る周波数同調済みのリニア
アレイ超音波センサ装置30における遅延加算後の信号
波形を示す波形図である。
FIG. 24 is a waveform diagram showing a signal waveform after delay addition in the linear array ultrasonic sensor device 30 with frequency tuning according to the present embodiment.

【図25】 本実施形態に係る周波数同調済みのリニア
アレイ超音波センサ装置30における反射波形の最大振
幅と遅延時間の電子走査方位角依存特性を示すグラフで
ある。
FIG. 25 is a graph showing the electronic scanning azimuth angle dependence characteristics of the maximum amplitude of the reflected waveform and the delay time in the frequency-tuned linear array ultrasonic sensor device 30 according to the present embodiment.

【図26】 本実施形態に係る周波数同調済みのリニア
アレイ超音波センサ装置30における電子走査により再
構成して測定された物体位置を示す上面図である。
FIG. 26 is a top view showing an object position reconstructed and measured by electronic scanning in the frequency-tuned linear array ultrasonic sensor device 30 according to the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…半導体チップウエハ、 11…半導体基板、 12,13,15,25…絶縁膜層、 14…半導体活性層、 16,18…電極層、 17…PZTセラミックス薄膜層 19…ボンディング、 20,20−1乃至20−5…超音波センサ素子、 21,22…引き出し導線、 30…超音波アレイセンサ装置、 31−1乃至31−5…可変遅延器、 32…加算器、 40…超音波音源、 51,52…被測定物体、 60…コンピュータ、 T1,T2…端子。 10 ... Semiconductor chip wafer, 11 ... Semiconductor substrate, 12, 13, 15, 25 ... Insulating film layer, 14 ... Semiconductor active layer, 16, 18 ... Electrode layer, 17 ... PZT ceramic thin film layer 19 ... Bonding, 20, 20-1 to 20-5 ... Ultrasonic sensor element, 21, 22 ... Lead wire, 30 ... Ultrasonic array sensor device, 31-1 to 31-5 ... Variable delay device, 32 ... adder, 40 ... Ultrasonic sound source, 51, 52 ... Object to be measured, 60 ... computer, T1, T2 ... terminals.

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) H04R 1/22 330 G01S 7/52 A 17/00 332 H01L 41/08 Z Front page continuation (51) Int.Cl. 7 identification code FI theme code (reference) H04R 1/22 330 G01S 7/52 A 17/00 332 H01L 41/08 Z

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体を2つの電極で挟設してなり、
所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサ
にてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整方法であ
って、上記超音波センサ素子の動作中において、上記2
つの電極間に所定のバイアス電圧を印加することにより
上記超音波センサ素子の共振周波数を変化させるステッ
プを含むことを特徴とする超音波センサ素子の共振周波
数の調整方法。
1. A ferroelectric material sandwiched between two electrodes,
A method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic sensor element, which comprises a piezoelectric sensor having a predetermined resonance frequency and detecting ultrasonic waves, comprising:
A method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic sensor element, comprising the step of changing the resonance frequency of the ultrasonic sensor element by applying a predetermined bias voltage between two electrodes.
【請求項2】 強誘電体を2つの電極で挟設してなり、
所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧
電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してな
る超音波アレイセンサ装置のための調整方法であって、
上記複数の超音波センサ素子の動作中において、上記各
超音波センサ素子の2つの電極間にそれぞれ所定のバイ
アス電圧を印加することにより、上記各超音波センサ素
子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化さ
せるステップを含むことを特徴とする超音波アレイセン
サ装置の共振周波数の調整方法。
2. A ferroelectric material sandwiched between two electrodes,
A method for adjusting an ultrasonic array sensor device comprising a plurality of ultrasonic sensor elements arranged side by side, each of which is a piezoelectric sensor for detecting ultrasonic waves having a predetermined resonance frequency.
By applying a predetermined bias voltage between the two electrodes of each of the ultrasonic sensor elements during the operation of the plurality of ultrasonic sensor elements, the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements substantially match each other. A method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic array sensor device, comprising the step of:
【請求項3】 強誘電体を2つの電極で挟設してなり、
所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサ
にてなる超音波センサ素子の共振周波数の調整方法であ
って、上記超音波センサ素子の動作前において、所定の
時間にわたって、上記2つの電極間に所定の電圧を印加
することにより所定の電界を印加して、上記超音波セン
サ素子に対してポーリングを行うことにより上記超音波
センサ素子の共振周波数を変化させるステップを含むこ
とを特徴とする超音波センサ素子の共振周波数の調整方
法。
3. A ferroelectric material sandwiched between two electrodes,
A method for adjusting a resonance frequency of an ultrasonic sensor element, which comprises a piezoelectric sensor having a predetermined resonance frequency for detecting an ultrasonic wave, comprising the steps of: A predetermined electric field is applied by applying a predetermined voltage between the electrodes, and the resonance frequency of the ultrasonic sensor element is changed by performing polling on the ultrasonic sensor element. Method for adjusting resonance frequency of ultrasonic sensor element.
【請求項4】 強誘電体を2つの電極で挟設してなり、
所定の共振周波数を有して超音波を検出するそれぞれ圧
電センサにてなる複数の超音波センサ素子を並置してな
る超音波アレイセンサ装置のための調整方法であって、
上記複数の超音波センサ素子の動作前において、所定の
時間にわたって、上記各超音波センサ素子の2つの電極
間にそれぞれ所定の電圧を印加することにより所定の電
界を印加して、上記複数の超音波センサ素子に対してポ
ーリングを行うことにより上記各超音波センサ素子の共
振周波数が互いに実質的に一致するように変化させるス
テップを含むことを特徴とする超音波アレイセンサ装置
の共振周波数の調整方法。
4. A ferroelectric is sandwiched between two electrodes,
A method for adjusting an ultrasonic array sensor device comprising a plurality of ultrasonic sensor elements arranged side by side, each of which is a piezoelectric sensor for detecting ultrasonic waves having a predetermined resonance frequency.
Prior to the operation of the plurality of ultrasonic sensor elements, a predetermined electric field is applied by applying a predetermined voltage between the two electrodes of each of the ultrasonic sensor elements for a predetermined time, thereby applying a plurality of ultrasonic waves to the plurality of ultrasonic sensors. A method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic array sensor device, comprising the step of changing the resonance frequencies of the ultrasonic sensor elements so as to substantially match each other by polling the ultrasonic sensor elements. .
【請求項5】 請求項1記載の超音波センサ素子の共振
周波数の調整方法を用いて超音波センサ素子の共振周波
数を所定の共振周波数に設定したことを特徴とする超音
波センサ素子。
5. An ultrasonic sensor element, wherein the resonant frequency of the ultrasonic sensor element is set to a predetermined resonant frequency by using the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic sensor element according to claim 1.
【請求項6】 請求項2記載の超音波アレイセンサ装置
の共振周波数の調整方法を用いて複数の超音波センサ素
子の共振周波数を所定の同一の共振周波数に設定したこ
とを特徴とする超音波アレイセンサ装置。
6. An ultrasonic wave wherein the resonance frequency of a plurality of ultrasonic sensor elements is set to a predetermined same resonance frequency by using the method of adjusting the resonance frequency of an ultrasonic array sensor device according to claim 2. Array sensor device.
【請求項7】 請求項3記載の超音波センサ素子の共振
周波数の調整方法を用いて超音波センサ素子の共振周波
数を所定の共振周波数に設定したことを特徴とする超音
波センサ素子。
7. An ultrasonic sensor element, wherein the resonant frequency of the ultrasonic sensor element is set to a predetermined resonant frequency by using the method for adjusting the resonant frequency of the ultrasonic sensor element according to claim 3.
【請求項8】 請求項4記載の超音波アレイセンサ装置
の共振周波数の調整方法を用いて複数の超音波センサ素
子の共振周波数を所定の同一の共振周波数に設定したこ
とを特徴とする超音波アレイセンサ装置。
8. An ultrasonic wave, wherein the resonance frequency of a plurality of ultrasonic sensor elements is set to a predetermined same resonance frequency by using the resonance frequency adjusting method of the ultrasonic array sensor device according to claim 4. Array sensor device.
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