JP2005051689A - 超音波アレイセンサおよび超音波センサ並びに超音波アレイセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波アレイセンサの複数のセンサ素子の共振周波数を容易に揃える。
【解決手段】センサ素子１００を複数の有する超音波アレイセンサ１において、主としてシリコンにより形成されるベース部１０に凹部１２を形成し、凹部１２の底部に圧電膜４１を有する振動検出層４０を設け、さらに、凹部１２の開口に微小な開口１３１が形成された開口板１３を取り付けて共鳴空洞１４０を形成する。振動検出層４０により、入射する超音波により共鳴空洞１４０内に生じる空気の共振が検出される。共鳴空洞１４０の開口１３１および容積は、フォトリソグラフィ法を利用したエッチング等により精度よく所望の大きさとすることができるため、複数のセンサ素子１００において共鳴空洞１４０の共振周波数（共鳴周波数）を容易に揃えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波を検出するセンサおよびその製造方法に関する。

対象物までの距離や対象物が位置する方向を特定するために、発信された超音波の対象物からの反射波を共振現象を利用して検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの実用化が、近年、進められている。

図１は、従来の超音波アレイセンサ９を示す縦断面図であり、図１では１つのセンサ素子９０のみを図示している。図１に示すように、超音波アレイセンサ９は、複数の凹部９１１（但し、図１では１つの凹部９１１のみを図示している。）が形成されたベース部９１と、ベース部９１上において複数の凹部９１１にそれぞれ対応する領域に形成された下部電極９３１、圧電膜９３２および上部電極９３３からなる振動検出層９３とを有する。超音波アレイセンサ９では、各凹部９１１の底面の部分がダイアフラム部となっており、ダイアフラム部が自己の共振周波数の超音波を図１中の矢印８にて示す方向から（凹部９１１とは反対側から）受けて機械的に共振することにより、電極９３１，９３３間に電位差が生じ、電気信号が出力される。

なお、非特許文献１では、ゾルゲル法により形成されるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜を圧電膜として用いた超音波アレイセンサの構造や製造プロセスについて開示されている。
堅田、外６名，「ＰＺＴ薄膜を用いたアレイ型超音波マイクロセンサ」，研究会資料，フィジカルセンサ研究会，平成１２年１２月２０日，ＰＨＳ−００−２１，ｐ．２１９−２２２

ところで、図１に示す超音波アレイセンサ９に代表される共振現象を利用する超音波アレイセンサでは、特定の発信源からの超音波の反射波を検出するために各センサ素子の共振周波数を揃える必要がある。したがって、例えば、図１に示す超音波アレイセンサ９の場合、振動検出層９３（ダイヤフラム部）の厚さ、ヤング率および密度、並びに、凹部９１１の開口の大きさ等を各センサ素子において同一にしなければならない。しかしながら、振動検出層９３を形成する際の製造プロセスのばらつき（例えば、エッチング速度のばらつきや成膜時の膜厚のばらつき等）により全てのセンサ素子において共振周波数を揃えることは非常に難しい。

なお、共振現象を利用する超音波センサでは、発信される超音波の周波数と共振周波数とを合わせる必要があることから、単独の超音波センサを製造する場合であっても共振周波数を所望のものとすることは重要であり、製造プロセスのばらつきは問題となる。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、複数のセンサ素子の共振周波数を容易に揃えることができる超音波アレイセンサ（または、容易に所望の共振周波数とすることができる超音波センサ）を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサであって、一の主面に向かって開口する複数の共鳴空洞を形成する板状の共鳴空洞形成部と、前記共鳴空洞形成部の他の主面上の少なくとも前記複数の共鳴空洞に対応する領域に設けられ、前記他の主面側から順に、第１電極、圧電膜および第２電極を有する振動検出層とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波アレイセンサであって、前記共鳴空洞形成部が、主としてシリコンにより板状に形成されて前記振動検出層側に設けられ、前記一の主面側に向かって前記複数の共鳴空洞の開口よりも大きく開口する複数の凹部を有するベース部と、前記ベース部の前記一の主面側の面に取り付けられ、前記複数の共鳴空洞の開口となる複数の開口が形成された板部材とを有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波アレイセンサであって、主としてシリコンにより板状に形成されたベース部をさらに備え、前記ベース部上に、前記ベース部側からに順に、前記第２電極、前記圧電膜および前記第１電極が形成されており、前記共鳴空洞形成部が、前記複数の共鳴空洞の底部以外を形成する複数の貫通孔を有し、前記振動検出層が、前記複数の共鳴空洞の底部を形成する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波アレイセンサであって、前記ベース部が、前記複数の共鳴空洞の底部に対向する領域上に、前記複数の共鳴空洞内に向かって突出する複数の段差部を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、前記複数の共鳴空洞のそれぞれの内側面が、前記共鳴空洞形成部の前記一の主面に対して垂直である。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、前記圧電膜が、強誘電体材料または有機圧電材料により形成される。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、前記圧電膜が、酸化亜鉛により形成される。

請求項８に記載の発明は、超音波を検出する超音波センサであって、一の主面に向かって開口する共鳴空洞を形成する板状の共鳴空洞形成部と、前記共鳴空洞形成部の他の主面上の少なくとも前記共鳴空洞に対応する領域に設けられ、前記他の主面側から順に、第１電極、圧電膜および第２電極を有する振動検出層とを備える。

請求項９に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、ｂ）前記複数の素子形成領域に対応する前記ベース部の他の主面上の複数の領域において複数の凹部を形成する工程と、ｃ）前記複数の凹部に対向する位置に前記複数の凹部の開口よりも小さい複数の開口が形成された板部材を前記ベース部の前記他の主面に取り付ける工程とを備える。

請求項１０に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、ｂ）前記複数の素子形成領域に対応する前記ベース部の他の主面上の複数の領域において複数の凹部を形成する工程と、ｃ）前記ベース部の前記他の主面に板部材を取り付ける工程と、ｄ）前記複数の凹部に連絡するとともに前記複数の凹部の開口よりも小さい複数の開口を前記板部材に形成する工程とを備える。

請求項１１に記載の発明は、請求項９または１０に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記板部材がガラスにより形成され、陽極接合により前記板部材が前記ベース部に接合される。

請求項１２に記載の発明は、請求項９ないし１１のいずれかに記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記複数の凹部がドライエッチングにより形成される。

請求項１３に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、ｂ）一方の開口が反対側の開口よりも大きい複数の貫通孔が前記複数の素子形成領域に対応して形成された板状の共鳴空洞形成部を、前記一方の開口を前記振動検出層側に向けて前記振動検出層上に取り付ける工程とを備える。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記工程ａ）の前に、前記複数の素子形成領域において前記一の主面から突出する複数の段差部を形成する工程をさらに備える。

請求項１ないし７、並びに、請求項９ないし１４の発明によれば、超音波アレイセンサの複数のセンサ素子の共振周波数を容易に揃えることができる。

また、請求項３および１３の発明によれば、超音波アレイセンサの耐環境性を向上することができ、請求項４および１４の発明によれば、超音波アレイセンサの共振周波数を容易に変更することができる。

また、請求項５および１２の発明によれば、共鳴空洞の容積を容易に求めることができる。

また、請求項６の発明では、圧電膜の感度を高める、または、圧電膜を容易に形成することができ、請求項７の発明では、圧電膜を容易に形成することができる。

請求項８の発明によれば、共振周波数を容易に所望の値とすることができる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波アレイセンサ１を示す縦断面図である。超音波アレイセンサ１は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列されたものであり、図２では、１つのセンサ素子１００のみを図示している。実際には、センサ素子１００は紙面の左右方向および紙面に垂直な方向に複数配列される。また、図２では図示の便宜上、薄膜部分を厚く強調して示している。

図２に示す超音波アレイセンサ１は、シリコン（Ｓｉ）により形成される層１１１、酸化シリコンにより形成される薄い層１１２、および、シリコンにより形成される薄い層１１３が積層された板状のベース部１０を備え、ベース部１０は後述するようにアレイセンサ製造に用いられるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に対応する部位である。

ベース部１０には上側の主面１１ｃに向かって開口する複数の凹部１２（例えば、上底が７００μｍ、下底が３５０μｍの台形の断面形状を有する凹部）が形成される。１つの凹部１２は１つのセンサ素子１００に対応し、図２では１つの凹部１２のみが図示されている。ベース部１０の上側の主面１１ｃ上には、複数の凹部１２にそれぞれ対応する複数の開口１３１が形成された板部材である開口板１３が取り付けられる。

ベース部１０および開口板１３により、開口板１３の上側の主面１４ａに向かって開口する複数の共鳴空洞１４０を形成する板状の共鳴空洞形成部１４が構成される。複数の凹部１２の主面１１ｃにおける開口は、共鳴空洞１４０の開口（すなわち、開口板１３の開口１３１）よりも大きく開口する。これにより、矢印８にて示すように開口板１３側から入射する超音波を受けると共鳴空洞１４０はヘルムホルツ共鳴器の原理に従って固有の振動数にて共鳴する（すなわち、内部の空気が共振する。）。

ベース部１０の下側の主面１１ａ上には、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成される絶縁層２１が設けられる。絶縁層２１上において少なくとも複数の共鳴空洞１４０にそれぞれ対応する領域（すなわち、複数の凹部１２の真下の領域）には、ベース部１０側から順に、主として白金（Ｐｔ）により形成される（正確には、絶縁層２１側からチタン（Ｔｉ）により形成される層と白金により形成される層とが積層されている。）下部電極３１、ＰＺＴにより形成される圧電膜４１、および、白金により形成される上部電極５１が設けられ、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１により振動を電圧として検出する振動検出層４０が構成される。

なお、図２に示す超音波アレイセンサ１の向きでは下部電極３１が上部電極５１よりも上側に位置するが、下部電極３１は超音波アレイセンサ１の製造時に上部電極５１の下層の電極として形成される。下部電極３１および上部電極５１は必ずしも白金（または、白金およびチタン）により形成される必要はなく、他の導体により形成されてもよい。

なお、図２に示す超音波アレイセンサ１の向きでは下部電極３１が上部電極５１よりも上側に位置するが、下部電極３１は超音波アレイセンサ１の製造時に上部電極５１の下層の電極として形成される。下部電極３１は配向性をもってＰＺＴを成膜させる観点から白金であることが好ましく、圧電膜４１がＺｎＯ（酸化亜鉛）の場合も下部電極３１が白金で形成されることが好ましいと確認されている。なお、圧電膜４１がＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の樹脂である場合には下部電極３１は白金である必要はない。上部電極５１も必ずしも白金により形成される必要はなく、金やアルミニウム等の他の導体により形成されてよい。

超音波アレイセンサ１は、所定の周波数の超音波を発信する音源装置とともに利用される。例えば、共鳴空洞１４０内の空気の共振周波数が１００ｋＨｚの超音波アレイセンサ１に対して、音源装置から１００ｋＨｚの超音波が発信され、対象物からの反射波を受けて共鳴空洞１４０が共鳴することにより各センサ素子１００から電気信号が出力される。そして、出力された複数の信号を解析することにより、対象物までの距離や対象物が位置する方向が特定される。

次に、上述の超音波アレイセンサ１を製造する方法について説明する。図３は、超音波アレイセンサ１の製造工程の流れを示す図である。

超音波アレイセンサ１が製造される際には、まず、図４に示す基板１１が準備される。なお、図４に示す基板１１の上側は図２に示す超音波アレイセンサ１の下側に対応する。図４に示す基板１１は、シリコンにより形成される層１１１、酸化シリコンにより形成される薄い層１１２、および、シリコンにより形成される薄い層１１３が積層されたＳＯＩ基板であり、厚さが数百μｍとされる。超音波アレイセンサ１の製造に利用される基板は、ＳＯＩ基板に限定されず、主としてシリコンにより板状に形成されるものであれば、他の種類の基板であってもよい。

図４の基板１１は、アニール等の熱処理が施されることにより両主面１１ａ，１１ｃが酸化され、図５に示すように酸化シリコンにより形成される酸化膜２１，２２がそれぞれ形成される（ステップＳ１１）。酸化膜２１（以下、「絶縁層２１」という。）は他の手法により形成されてもよく、窒化シリコン等の酸化シリコン以外の絶縁体であってもよい。また、主面１１ｃ側の酸化膜２２は必要に応じて形成されるのみでもよい。

続いて、主面１１ａ側の絶縁層２１上に図６に示すように下部電極３１（および、必要な配線パターン）が形成される（ステップＳ１２）。下部電極３１を形成する際には、まず、絶縁層２１上にスパッタリングによりチタン（Ｔｉ）の膜が形成され、チタン膜上に白金の膜が形成される。チタン膜は白金膜の密着性を向上させるための中間層としての役割を果たすものであるため、以下、チタン膜および白金膜を単に白金膜と呼ぶ。

図７は、白金膜が形成された基板１１の一部を例示する平面図である。白金膜上にはフォトリソグラフィ技術を利用してフォトレジストのパターンが形成される。すなわち、白金膜上にフォトレジストが塗布され、ステッパ等においてフォトレジスト上に所定のパターンが描画された後に、現像が施されフォトレジストのパターンが形成される。そして、イオンミリング装置等により白金膜がエッチング（ミリング）され、フォトレジストを基板１１から除去することにより、下部電極３１が形成される。

図８は、下部電極３１が形成された基板１１の一部を例示する平面図である。図８では、基板１１上に十字状に配列された複数の下部電極３１が形成される。また、複数の下部電極３１はそれぞれ配線３２を介して離れた位置に配置される接続用電極３３に連絡する。図８中において複数の下部電極３１をそれぞれ含む二点鎖線にて示す矩形領域７１は、以降の工程を経て製造される１つのセンサ素子の形成領域（以下、「素子形成領域」という。）であり、裏面側においては後述する工程により図２に示す凹部１２が形成される領域となる。なお、本実施の形態で参照する縦断面図は簡略化されているため図８の平面図とは厳密には対応していない。

図６に示す下部電極３１が形成されると、図９に示すように圧電材料により形成される圧電膜４１が下部電極３１上に形成される（ステップＳ１３）。具体的には、まず、ゾルゲル法により基板１１上の全面にＰＺＴ膜が形成される。このとき、下部電極３１を形成する白金膜は配向性が良好であるため、少なくとも下部電極３１上においては配向性の高いＰＺＴ膜が得られる。続いて、ＰＺＴ膜上にフォトリソグラフィ法を利用してフォトレジストによるパターンが形成され、ウエットエッチングが施されてＰＺＴ膜のフォトレジストに覆われていない部分が除去される。そして、フォトレジストが基板１１から除去され、圧電膜４１の形成が完了する。

なお、ＰＺＴ膜はスピンコーティング、スパッタリング、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の他の手法により形成されてもよい。また、圧電膜４１はＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）により形成されてもよい。圧電膜４１として強誘電体材料を用いることにより、感度が非常に高い超音波アレイセンサとすることができる。一方、圧電膜４１はＰＶＤＦ等の有機圧電材料により形成されてもよい。これにより、圧電膜４１を容易に形成することができる。さらに、圧電膜４１の材料としてＺｎＯを用いることにより、スパッタリング等のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により容易に成膜することができる。

図１０は、圧電膜４１が形成された基板１１の一部を例示する平面図であり、図８に対応する図である。また、図１０では図８の下部電極３１が占める矩形領域（最終的にダイアフラム部となる領域に相当する。）７２を破線により示している。図１０に示すように、圧電膜４１は全ての素子形成領域７１を覆うようにして形成されており、圧電膜４１には複数の接続用電極３３を露出させる複数のスルーホール４２が設けられる。

続いて、図９の圧電膜４１上には、図１１に示すように上部電極５１が形成される（ステップＳ１４）。上部電極５１が形成される際には、まず、ステップＳ１２における下部電極３１と同様に、スパッタリングにより白金が全面成膜され、白金膜上に塗布されたフォトレジスト上に所定のパターンを描画して現像することにより、フォトレジストのパターンが形成される。そして、ミリングが施された後にフォトレジストが基板１１から除去されることにより上部電極５１が形成され、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１を有する（他の層が介在してもよい。）振動検出層４０が形成される。

図１２は、上部電極５１が形成された基板１１の一部を例示する平面図であり、図８および図１０に対応している。図１２に示すように、圧電膜４１上には十字状に配列されるとともに複数の素子形成領域７１内の（下部電極３１上の）領域７２内にそれぞれ位置する複数の上部電極５１が形成されており、複数の上部電極５１は十字状の配線５２により、１つの接続用電極５３へと連絡する。なお、上部電極５１（並びに、配線５２および接続用電極５３）も下部電極３１と同様に、チタン膜が中間層として設けられてもよい。

図１１に示す上部電極５１が形成されると、基板１１の下側の主面１１ｂ（酸化膜２２の表面を指す。）上においてフォトレジストのパターンが形成された後、エッチング（例えば、フッ酸を利用したウエットエッチング）が施されることにより素子形成領域７１に対応する（すなわち、素子形成領域７１の真下の）主面１１ｂ上の複数の領域において酸化膜２２の一部が除去される。

続いて、酸化膜２２をエッチングマスクとしてＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用いて基板１１に対して異方性エッチングが施されることにより、図１３に示すようにエッチングマスクが除去された複数の領域において主面１１ｂに向かって開口する複数の凹部１２が形成され、ダイアフラム部の下面が形成される（ステップＳ１５）。また、基板１１は凹部１２が形成されることにより図２のベース部１０となる。

なお、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１は、少なくとも複数の素子形成領域７１（領域の一部でもよい。）に形成されるのであれば、他の領域に広がっていてもよい。

続いて、主面１１ｂの酸化膜２２が除去され、図１４に示すように複数の凹部１２に対向する位置に凹部１２の開口よりも小さい微小な複数の開口１３１が形成された開口板１３がベース部１０の下側の主面１１ｃ（図２ではベース部１０の上側の主面１１ｃ）に取り付けられる（ステップＳ１６）。開口板１３はガラスにより形成され、取り付けは陽極接合により行われる。これにより、振動検出層４０側に設けられたベース部１０とベース部１０の振動検出層４０とは反対側の面に取り付けられた開口板１３とにより、共鳴空洞１４０を形成する板状の共鳴空洞形成部１４が構成される。

図１５は開口板１３が取り付けられた後の基板１１を開口１３１側から（図１０および図１２における視線方向とは反対側から）見た様子を示す図である。図１４および図１５に示すように、共鳴空洞１４０は開口部が若干閉塞された空洞（キャビティ）とされる。

開口板１３が取り付けられた基板１１は図１２（および図１５）に示す大きさを単位とするダイに分割され、複数の共鳴空洞１４０を有する超音波アレイセンサ１が完成する。超音波アレイセンサ１は、例えば、開口板１３を超音波が向かってくる方向に向けて所定の回路基板の開口にはめ込まれる。そして、複数の接続用電極３３，５３（図１２参照）がそれぞれワイヤーボンディングにより金線を介して回路基板の裏面上の電極と接続され、これにより、接続用電極３３，５３が超音波の検出信号の取り出しに利用される。接続用電極３３，５３上には適宜ポッティングが施される。

以上のように、図３に示す製造工程では、ベース部１０の複数の凹部１２上に開口板１３を取り付けることにより複数の共鳴空洞１４０を有する超音波アレイセンサ１が製造される。これにより、共鳴空洞１４０内の共鳴を利用してダイヤフラム部を大きく振動させることが実現され、センサの感度を高めることができる。ここで、共鳴空洞１４０はヘルムホルツ共鳴器の原理に従った固有の共振周波数（すなわち、共鳴周波数）を有し、この共振周波数ｆｒは、空気（超音波）の速度ｖ、共鳴空洞の開口面積Ｓ、共鳴空洞の容積Ｖ、開口部の長さ（奥行き）Ｌを用いて数１にて表される。

超音波アレイセンサ１では、層１１１や開口板１３の厚さは一定であり、共鳴空洞１４０の開口面積や容積はフォトリソグラフィ法やエッチングにより精度よく形成されることから、各共鳴空洞１４０の共振周波数を所望の値に容易に揃えることができる。その結果、性能の高い超音波アレイセンサ１の製造コストを削減することが実現される。

なお、ダイアフラム部となる振動検出層４０は、必ずしも凹部１２の底面に対する上下方向の振動による張力の変化を検出するものである必要はなく、例えば、振動検出層４０の上部電極５１側が硬質の回路基板の表面等に固定され、空気の圧力の変動による圧電膜４１内部の応力変化が検出されてもよい。この場合、超音波アレイセンサ１の接続用電極３３，５３は、例えば、導電性材料を介して回路基板上の電極と対向しつつ接続される。

図１６は、超音波アレイセンサ１の他の製造工程の流れを示す図であり、図３のステップＳ１５よりも後の工程を示している。ステップＳ１５までの工程により振動検出層４０および凹部１２が形成された基板１１（ダイシング前のベース部１０）は、最下面の酸化膜２２（図１３参照）が除去された後、図１７に示すようにベース部１０の下側の主面１１ｃに板部材であるガラス板１３ａが陽極接合により取り付けられる（ステップＳ１６ａ）。

その後、ガラス板１３ａの下側の主面１４ａにレジストを塗布してフォトリソグラフィ法により図２に示す開口１３１に合わせてレジストの除去を行い、エッチングによりガラス板１３ａに複数の凹部１２に連絡するとともに凹部１２の開口よりも小さい複数の開口１３１が形成される（ステップＳ１６ｂ）。これにより、ガラス板１３ａが図２に示す開口板１３となる。

以上のように、開口板１３の開口１３１はガラス板１３ａの接合後に形成されてもよく、この場合、接合時のガラス板１３ａとベース部１０との正確な位置合わせが不要になるとともにフォトリソグラフィ法を利用して高い位置精度にて開口１３１を形成することができる。なお、開口板１３またはガラス板１３ａの材質をガラスとすることにより、陽極接合を用いてシリコンの層１１１と開口板１３またはガラス板１３ａとの接合を容易に行うことができるが、開口板１３またはガラス板１３ａは層１１１と接合可能な他の材料により形成されてもよい。

図１８は、超音波アレイセンサ１の他の例を示す断面図であり、図２と同様に１つのセンサ素子１００のみを示している。図１８に示す超音波アレイセンサ１は基本的には図３または図１６に示す方法により製造され、ベース部１０および開口板１３からなる共鳴空洞形成部１４により共鳴空洞１４０が形成されるが、ステップＳ１５においてＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ）等の等方性のドライエッチングにより凹部１２ａが形成される。したがって、共鳴空洞１４０の内側面１４０ａが、共鳴空洞形成部１４の振動検出層４０とは反対側の主面１４ａ（振動検出層４０側の主面であってもよい。）に対して垂直に形成される。これにより、共鳴空洞１４０の形状が簡素化され、共鳴空洞１４０の容積を容易に求めることが可能となる。

図１９は、本発明の第２の実施の形態に係る超音波アレイセンサ１ａを示す縦断面図である。図１９では図２と同様に、配列される複数のセンサ素子１００のうちの１つのみを図示しており、実際には、センサ素子１００は紙面の左右方向および紙面に垂直な方向に複数配列される。また、図示の便宜上、薄膜部分を厚く強調して示している。

図１９に示す超音波アレイセンサ１ａは、シリコンにより板状に形成されたベース部１０を有し、ベース部１０の上側の主面１１ａ上には、例えば、酸化シリコンにより形成される絶縁層２１が設けられる。絶縁層２１上には、ベース部１０側から順に、主として白金により形成される下部電極３１、ＰＺＴにより形成される圧電膜４１、および、白金により形成される上部電極５１が形成され、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１により応力変動を電圧として検出する振動検出層４０が構成される。

振動検出層４０上には、接着剤である絶縁層７を介して上側（振動検出層４０とは反対側）の主面６ａに向かって開口する複数の共鳴空洞６０を形成する板状の共鳴空洞形成部６が接着されている。共鳴空洞形成部６は複数の共鳴空洞６０の底部以外を形成する複数の貫通孔を有する部材となっており、共鳴空洞６０の底部は振動検出層４０により形成されている。１つの共鳴空洞６０は１つのセンサ素子１００に対応し、図１９では１つの共鳴空洞６０のみが図示されている。超音波アレイセンサ１ａは、共鳴空洞形成部６の下側の主面６１ａ上の少なくとも複数の共鳴空洞６０に対応する領域に、主面６１ａ側から順に、上部電極５１、圧電膜４１および下部電極３１が設けられるという点で、第１の実施の形態に係る超音波アレイセンサ１と類似の構造を有している。

超音波アレイセンサ１ａの製造工程は図３のステップＳ１１〜Ｓ１４に図２０に示す工程を追加したものとなる。超音波アレイセンサ１ａの製造に際してベース部１０となる基板１１は、第１の実施の形態と同様に主としてシリコンにより形成されるものが使用されてもよいが、以下、シリコンのみにより形成される板状の基板１１が使用されるものとして説明する。

超音波アレイセンサ１ａが製造される際には、まず、第１の実施の形態と同様に、シリコンの基板１１上に熱酸化等の手法により酸化膜である絶縁層２１が形成され（ステップＳ１１）、絶縁層２１上にスパッタリングにより白金膜等が形成され、フォトリソグラフィ法およびイオンミリングにより所望の下部電極３１および配線のパターンが形成される（ステップＳ１２）。続いて、下部電極３１上にゾルゲル法によりＰＺＴ膜が形成され、フォトリソグラフィ法およびウェットエッチングにより圧電膜４１のパターンが形成される（ステップＳ１３）。さらに、下部電極３１と同様の手法により圧電膜４１上に上部電極５１および配線のパターンが形成される（ステップＳ１４）。

図２１は、上部電極５１が形成された基板１１の一部を例示する平面図である。図２１では、第１の実施の形態の図１２と同様に、センサ素子１００が形成される予定の複数の素子形成領域７１が十字に配列されており、素子形成領域７１内に下部電極３１および上部電極５１が形成される。圧電膜４１から露出する接続用電極３３は圧電膜４１の下の配線により下部電極３１に接続され、圧電膜４１上の接続用電極５３は配線５２により上部電極５１に接続される。ただし、図１２と比べて接続用電極３３，５３は複数の素子形成領域７１から外側に離れた位置に設けられる。下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１は少なくとも素子形成領域７１（領域の一部でもよい。）において形成されるのであれば、任意のパターンにて形成されてよい。

一方、基板１１に対する処理に前後して、共鳴空洞形成部６が別途製作される（図２０：ステップＳ１７）。図２２は共鳴空洞形成部６を示す断面図である。共鳴空洞形成部６は、シリコンの基板６１にガラスの開口板６２を接合した構造をしており、共鳴空洞６０を形成するための複数の貫通孔６３が複数の素子形成領域７１に対応して形成されており、各貫通孔６３において、基板６１の下側の主面６１ａの開口６０ａが開口板６２の主面６ａの開口６０ｂよりも大きくなっている。

共鳴空洞形成部６が製作される際には、まず、シリコンの基板６１側の主面６１ａにフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターンが形成され、異方性エッチングを行うことにより主面６１ａ側に広く開口した貫通孔が形成される。貫通孔の断面は、例えば、上底が３５０μｍ、下底が７００μｍの台形の形状とされる。そして、開口６０ｂが形成された開口板６２が、基板６１の貫通孔の小さい方の開口側（図２２中の上側の主面）に陽極接合される。なお、共鳴空洞形成部６は図２１に示す基板１１の一部よりも小さな部材として製作される。

共鳴空洞形成部６は金属により形成されてもよい。この場合、図２３に示すように銅、アルミニウム、ステンレス綱等の材料にて複数の貫通孔６３を有する金属板６４が成形され、金属板６４の表面に酸化膜等の保護膜６４１を形成して共鳴空洞形成部６が製作される。共鳴空洞形成部６を金属により形成することにより、鍛造、プレス、鋳造等により容易に成形することができるとともに共鳴空洞形成部６の剛性および耐環境性を向上することができる。

共鳴空洞形成部６は、使用環境やコスト面からさらに他の材料により製作されてもよい。例えば、共鳴空洞形成部６をプラスチックで形成することにより、射出成形を利用して精度よく容易かつ安価に共鳴空洞形成部６を量産することができる。また、ジルコニア等のセラミックスを用いて射出成形にて共鳴空洞形成部６を形成することにより、安価で耐環境性に優れた共鳴空洞形成部６を製作することができる。

基板１１は、図２１に示す部分を単位としてダイシングにより個片に分けられ、その後、共鳴空洞形成部６の大きい方の開口６０ａを基板１１上の振動検出層４０側に向けて、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて共鳴空洞形成部６を振動検出層４０上に取り付ける（接着する）ことにより図１９に示す共鳴空洞６０が形成される（ステップＳ１８）。接着剤は硬化して図１９中の絶縁層７となる。

図２４は、超音波アレイセンサ１ａの平面図であり、図２１に示す基板１１の一部の個片に共鳴空洞形成部６を接着した様子を示している。図２４に示すように、共鳴空洞形成部６は接続用電極３３，５３よりも内側に収まるとともに図２１に示す複数の素子形成領域７１を覆う大きさとされる。また、共鳴空洞形成部６の貫通孔６３は図２１に示す複数の素子形成領域７１のそれぞれに対向するように形成されており、各素子形成領域７１上に共鳴空洞６０が形成される。なお、図２４では共鳴空洞６０の開口６０ｂの内部の図示を省略している。

超音波アレイセンサ１ａはベース部１０側から回路基板に接着され、回路基板上の電極と超音波アレイセンサ１ａの接続用電極３３，５３とがワイヤボンディング等の手法により接続される。

図１９および図２４に示すように、共鳴空洞形成部６の上側の主面６ａの開口６０ｂは内部の共鳴空洞６０を若干閉塞する開口となっている。これにより、第１の実施の形態と同様に所定の振動数の超音波が開口６０ｂに入射するとヘルムホルツ共鳴器の原理に従った共鳴（空気の共振）が生じる。そして、振動検出層４０が空気の圧力の変動を受けて電圧を発生し、この電圧を接続用電極３３，５３を介して測定することにより、超音波の検出が実現される。第２の実施の形態に係る超音波アレイセンサ１ａの場合、振動検出層４０は厚いベース部１０に支持されるため、超音波アレイセンサ１ａの耐環境性を向上することが実現される。

図２５は超音波アレイセンサ１ａのセンサ素子１００の他の例を示す断面図である。図２５に示す超音波アレイセンサ１ａでは、複数の共鳴空洞６０の底部に対向するベース部１０の領域上に、複数の共鳴空洞６０内に向かってそれぞれ突出する複数の段差部１０１が設けられる。ベース部１０上に絶縁層２１、並びに、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１を有する振動検出層４０が設けられ、振動検出層４０上に共鳴空洞形成部６が接着される点は図１９に示す超音波アレイセンサ１ａと同様である。なお、図２５では上部電極５１を共鳴空洞６０内のみに図示しているが、上部電極５１は紙面に垂直な方向に段差部１０１の外側まで伸びている。また、圧電膜４１は下部電極３１上の絶縁膜としての役割を果たしており、ベース部１０および下部電極３１上の全体に形成されることが好ましい。

図２５に示す超音波アレイセンサ１ａが製造される際には、図１９に示す超音波アレイセンサ１ａの製造工程の最初の段階に図２６に示すように段差部１０１をベース部１０となるシリコンの基板１１に形成する工程が追加される（ステップＳ１１ａ）。段差部１０１の形成は、例えば、フォトリソグラフィ法により基板１１上の段差部１０１となる領域にレジスト膜が形成され、異方性エッチングの後にレジスト膜を剥離することにより図２７に例示するようにエッジ部分が傾斜面１０２とされた段差部１０１が形成される。

段差部１０１のエッジは基板１１の主面に対して垂直に形成されてもよいが、下部電極３１、圧電膜４１および上部電極５１を段差部１０１の上面と他の部分とにおいて容易に連続的に形成するには（すなわち、圧電膜４１におけるクラックの発生や電極用の配線の形成不良を防止するには）傾斜面１０２が設けられることが好ましい。これにより、圧電膜４１の特性劣化や超音波アレイセンサ１ａの歩留まり低下を防止することができる。段差部１０１が設けられる場合、圧電膜４１の形成に際してはスパッタリングやＣＶＤが利用される。

ベース部１０上に段差部１０１を形成することにより、図２５に示す共鳴空洞６０の容積は、図１９に示すセンサ素子１００の共鳴空洞６０の容積よりも小さくなる。その結果、図１９に示すセンサ素子１００と図２５に示すセンサ素子１００とにおいて、共鳴空洞形成部６の形状を共通としつつ共鳴空洞６０の共振周波数を異なるものとすることができる。

例えば、発信側において超音波の周波数を変更する場合、受信側である超音波アレイセンサ１ａ（の各センサ素子１００）の共振周波数を変更する必要が生じる。ここで、共鳴空洞の深さを変更することが困難である場合、共鳴空洞の側方への広がり（例えば、共鳴空洞が円柱状である場合には内径）を変更しなければならないが、このような変更のためには共鳴空洞形成部６を製作する際のマスクを変更する等の高価なプロセス変更が必要となる。

これに対して、図２５に示す超音波アレイセンサ１ａでは段差部１０１の高さを変更するのみで（エッチングにより段差部１０１が形成される場合はエッチング量を変更するのみで）共鳴空洞６０の共振周波数を変更することができるため、発信側の超音波の周波数に合わせて受信側の共振周波数を容易に変更することが実現される。

図２８は段差部を形成する他の手法を説明するための図である。図２８ではガラス板であるベース部１０にシリコンの板を陽極接合することにより、段差部１０１ａが形成される。なお、図２８に示すベース部１０を用いて製造される超音波アレイセンサは、ベース部１０の材質および段差部１０１ａの形状が異なるという点を除いて図２５に示す超音波アレイセンサ１ａと同様である。図２８に示すように接合により段差部１０１ａを形成することにより、段差部を安価に形成することができる。

図２９は、超音波アレイセンサ１ａのセンサ素子１００の他の例を示す断面図である。図２９に示すセンサ素子１００は、ベース部１０上に絶縁層２１および振動検出層４０が設けられ、振動検出層４０上に共鳴空洞形成部６が接着されるという点で図１９に示す超音波アレイセンサ１ａと同様の構造となっているが、共鳴空洞６０の内側面６０ｃが共鳴空洞形成部６の上側の主面６ａ（下側の主面であってもよい。）に対して垂直であるという点で相違している。これにより、共鳴空洞６０の形状が簡素化され、共鳴空洞６０の容積を容易に求めることが可能となる。

図２９に示す共鳴空洞形成部６が製作される際には、まず、シリコンの基板６１にＩＣＰ等の等方性のドライエッチングにより内側面６０ｃを有する貫通孔が形成され、その後、小さな開口６０ｂが形成されたガラスの開口板６２が位置決めされつつ基板６１に陽極接合される。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

超音波アレイセンサ１，１ａにおいて、センサ素子１００は十字状以外の配列とされてもよく、より高精度な超音波アレイセンサを形成するには、センサ素子がマトリックス状に配列されることが好ましい。

上記実施の形態では複数の上部電極５１が電気的に接続され、下部電極３１が独立して設けられるが、複数の下部電極３１を接続して上部電極５１が互いに独立していてもよい。また、上部電極５１および下部電極３１のそれぞれが、互いに独立して設けられてもよい。圧電膜４１も素子形成領域７１毎に独立して設けられてもよい。なお、素子形成領域７１と凹部１２または貫通孔６３とは正確に対応する必要はなく、各素子形成領域７１は各センサ素子１００におよそ対応する領域を定めるにすぎない。

上記実施の形態にて説明した超音波アレイセンサ１，１ａのセンサ素子１００は、単独の超音波センサとして製作されて使用されてもよい。この場合においても、超音波センサの開口および容積が所定の大きさとなるように容易に精度よく共鳴空洞を形成することができるため、超音波センサの共振周波数を容易に所望の値とすることが実現される。

従来の超音波アレイセンサを示す断面図である。 第１の実施の形態に係る超音波アレイセンサを示す断面図である。 超音波アレイセンサの製造工程の流れを示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの他の製造工程の流れの一部を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 超音波アレイセンサの他の例を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る超音波アレイセンサを示す断面図である。 超音波アレイセンサの製造工程の流れの一部を示す図である。 超音波アレイセンサの製造の様子を示す図である。 共鳴空洞形成部を示す断面図である。 共鳴空洞形成部の他の例を示す断面図である。 超音波アレイセンサを示す平面図である。 超音波アレイセンサの他の例を示す断面図である。 超音波アレイセンサの製造工程の流れの一部を示す図である。 段差部を有するベース部を示す断面図である。 段差部を有するベース部の他の例を示す断面図である。 超音波アレイセンサの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ 超音波アレイセンサ
６，１４ 共鳴空洞形成部
６ａ，１４ａ 主面
１０ ベース部
１１ａ，６１ａ 主面
１２ 凹部
１３ 開口板
３１ 下部電極
４０ 振動検出層
４１ 圧電膜
５１ 上部電極
６０，１４０ 共鳴空洞
６０ｂ，１３１ 開口
６０ｃ，１４０ａ 内側面
６３ 貫通孔
７１ 素子形成領域
１００ センサ素子
１０１，１０１ａ 段差部
Ｓ１１ａ，Ｓ１２〜Ｓ１６，Ｓ１６ａ，Ｓ１６ｂ，Ｓ１８ ステップ

Claims (14)

1. 超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサであって、
   一の主面に向かって開口する複数の共鳴空洞を形成する板状の共鳴空洞形成部と、
   前記共鳴空洞形成部の他の主面上の少なくとも前記複数の共鳴空洞に対応する領域に設けられ、前記他の主面側から順に、第１電極、圧電膜および第２電極を有する振動検出層と、
   を備えることを特徴とする超音波アレイセンサ。
2. 請求項１に記載の超音波アレイセンサであって、
   前記共鳴空洞形成部が、
   主としてシリコンにより板状に形成されて前記振動検出層側に設けられ、前記一の主面側に向かって前記複数の共鳴空洞の開口よりも大きく開口する複数の凹部を有するベース部と、
   前記ベース部の前記一の主面側の面に取り付けられ、前記複数の共鳴空洞の開口となる複数の開口が形成された板部材と、
   を有することを特徴とする超音波アレイセンサ。
3. 請求項１に記載の超音波アレイセンサであって、
   主としてシリコンにより板状に形成されたベース部をさらに備え、
   前記ベース部上に、前記ベース部側からに順に、前記第２電極、前記圧電膜および前記第１電極が形成されており、
   前記共鳴空洞形成部が、前記複数の共鳴空洞の底部以外を形成する複数の貫通孔を有し、
   前記振動検出層が、前記複数の共鳴空洞の底部を形成することを特徴とする超音波アレイセンサ。
4. 請求項３に記載の超音波アレイセンサであって、
   前記ベース部が、前記複数の共鳴空洞の底部に対向する領域上に、前記複数の共鳴空洞内に向かって突出する複数の段差部を有することを特徴とする超音波アレイセンサ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、
   前記複数の共鳴空洞のそれぞれの内側面が、前記共鳴空洞形成部の前記一の主面に対して垂直であることを特徴とする超音波アレイセンサ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、
   前記圧電膜が、強誘電体材料または有機圧電材料により形成されることを特徴とする超音波アレイセンサ。
7. 請求項１ないし５のいずれかに記載の超音波アレイセンサであって、
   前記圧電膜が、酸化亜鉛により形成されることを特徴とする超音波アレイセンサ。
8. 超音波を検出する超音波センサであって、
   一の主面に向かって開口する共鳴空洞を形成する板状の共鳴空洞形成部と、
   前記共鳴空洞形成部の他の主面上の少なくとも前記共鳴空洞に対応する領域に設けられ、前記他の主面側から順に、第１電極、圧電膜および第２電極を有する振動検出層と、
   を備えることを特徴とする超音波センサ。
9. 超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、
   ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、
   ｂ）前記複数の素子形成領域に対応する前記ベース部の他の主面上の複数の領域において複数の凹部を形成する工程と、
   ｃ）前記複数の凹部に対向する位置に前記複数の凹部の開口よりも小さい複数の開口が形成された板部材を前記ベース部の前記他の主面に取り付ける工程と、
   を備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。
10. 超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、
    ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、
    ｂ）前記複数の素子形成領域に対応する前記ベース部の他の主面上の複数の領域において複数の凹部を形成する工程と、
    ｃ）前記ベース部の前記他の主面に板部材を取り付ける工程と、
    ｄ）前記複数の凹部に連絡するとともに前記複数の凹部の開口よりも小さい複数の開口を前記板部材に形成する工程と、
    を備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。
11. 請求項９または１０に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、
    前記板部材がガラスにより形成され、陽極接合により前記板部材が前記ベース部に接合されることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。
12. 請求項９ないし１１のいずれかに記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、
    前記複数の凹部がドライエッチングにより形成されることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。
13. 超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、
    ａ）主としてシリコンにより形成されるベース部の一の主面上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記一の主面側から順に下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層を形成する工程と、
    ｂ）一方の開口が反対側の開口よりも大きい複数の貫通孔が前記複数の素子形成領域に対応して形成された板状の共鳴空洞形成部を、前記一方の開口を前記振動検出層側に向けて前記振動検出層上に取り付ける工程と、
    を備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。
14. 請求項１３に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、
    前記工程ａ）の前に、前記複数の素子形成領域において前記一の主面から突出する複数の段差部を形成する工程をさらに備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。

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