JP2009260723A - トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化アルミニウムを用いて音圧レベルを向上させたマイクロスピーカー及び超音波発振器、また音や超音波を高感度で検出できるマイクロフォンや超音波センサなどのトランスデューサを提供する。
【解決手段】シリコン基板1と、このシリコン基板1上に支持層2と第一の電極3と窒化アルミニウムからなる圧電体層4と第二の電極5とがこの順に積層された積層体とを有する。第一の電極3のヤング率は、第二の電極5のヤング率より高くなっている。第二の電極5の材料のヤング率に対する第一の電極3の材料のヤング率の比が、2.3以上であることが好ましい。
【選択図】図1
【解決手段】シリコン基板1と、このシリコン基板1上に支持層2と第一の電極3と窒化アルミニウムからなる圧電体層4と第二の電極5とがこの順に積層された積層体とを有する。第一の電極3のヤング率は、第二の電極5のヤング率より高くなっている。第二の電極5の材料のヤング率に対する第一の電極3の材料のヤング率の比が、2.3以上であることが好ましい。
【選択図】図1
Description
本発明は、シリコン基板上に形成された積層体を有するトランスデューサに関し、より詳細には、マイクロマシンプロセスを用いて形成された小型スピーカーやマイクロフォンなどの音響トランスデューサ及び超音波発振や検出用超音波トランスデューサに好適なトランスデューサに関する。
一般に、音響トランスデューサは、音波を電気信号に変換し、あるいは電気信号を音波に変換するものである。一般的に知られている音響トランスデューサには、マイクロフォンとスピーカーがある。また、20kHz以上の周波数で駆動及び検出する様にすれば超音波発振、検出用超音波トランスデューサとして用いることができる。
近年、小型マイクロフォンの分野では、マイクロマシンプロセス技術で製造された静電容量型マイクロフォン(例えば、特許文献1参照)が普及している。しかし、音声品質を一層向上させた高感度な小型マイクロフォンが望まれている。
一方、スピーカーの分野では、空気を振動させて音波を送出する機能を実現するため、多くの場合駆動力が必要になる。上述した特許文献1には、静電容量型マイクロマシンプロセスで作製されたマイクロスピーカーが記載されている。しかし、駆動力が不十分なため必ずしも実用的ではない。
これに対して、酸化亜鉛を用いた圧電薄膜型のマイクロスピーカー(例えば、非特許文献1参照)や、窒化アルミニウムを用いた圧電薄膜マイクロマシン型マイクロスピーカー(例えば、非特許文献2参照)の研究も試みられている。これらの圧電薄膜型のスピーカーは、静電容量型より大きな駆動力が得られる。実用的には、電磁力を用いたダイナミック型スピーカー、及びチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTという)のようなセラミック焼成で形成した薄板、又は強誘電体セラミックスや圧電体結晶をカットした薄板の両側に電極を形成して張り合わせたバルク圧電型スピーカーが使用されている。
しかしながら、ダイナミック型は、磁石を主要構成要素とするため小型化及び薄型化が困難である。また、バルク圧電型スピーカーは、PZT薄板を用いて薄型化は既に実現できているが、小型化に関しては不十分である。PZTは、大きな駆動力を有する長所はあるが、温度特性が悪く、主成分元素である鉛は人体への影響が懸念されることから、できれば使用を避ける方が好ましい材料である。
一方、窒化アルミニウムは人体への影響は無く、温度特性も良好な材料である。上述した非特許文献2に記載のマイクロスピーカーは、窒化シリコンの絶縁層の上にチタンの密着層を設け、その上に、モリブデンの下部電極と、窒化アルミニウムの圧電体層と、モリブデンの上部電極層とを積層したものである。充分小型のものは実現できるが、窒化アルミニウムの圧電係数がPZTに比べて1桁小さいこともあり、ダイアフラムの変位量を充分大きくして大きな音圧の音を送り出すことができず、実用的なマイクロスピーカーとしての駆動力は、まだ不十分であるという課題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、窒化アルミニウムを用いて大きなダイアフラム変位量、即ち充分な大きさの音圧を送り出せるマイクロスピーカー及び超音波発振器、また音や超音波を高感度で検出できるマイクロフォンや超音波センサなどのトランスデューサを提供することにある。
また、トランスデューサは周波数特性も重要であり、本発明は良好な周波数特性のトランスデューサを提供することも目的の一つとする。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有するトランスデューサであって、前記積層体が、窒化アルミニウムからなる圧電体層と、該圧電体層の両面に各々形成された第一の電極及び第二の電極と、前記第一の電極側に形成された支持層とから構成され、前記第一の電極の材料のヤング率が、前記第二の電極の材料のヤング率より高いことを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記第一の電極は、タングステン,白金,ルテニウム,モリブデンのいずれかを含むことを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記第二の電極は、アルミニウム,チタン,ポリシリコン,金のいずれかを含むことを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、前記第二の電極の材料のヤング率に対する前記第一の電極の材料のヤング率の比が、2.3以上であることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記支持層が、シリコン化合物からなることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記第二の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記支持層の面積に対する前記第二の電極の面積の比が、25〜92%であることを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項6又は7に記載の発明において、前記圧電体層の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
また、請求項9に記載の発明は、請求項6乃至8のいずれかに記載の発明において、前記第一の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする。
また、請求項10に記載の発明は、請求項1乃至9のいずれかに記載の発明において、前記積層体の平面形状が、長方形であることを特徴とする。
また、請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の発明において、前記積層体の長方形の短辺に対する長辺の比が、1.1〜2.0であることを特徴とする。
また、請求項12に記載の発明は、請求項1乃至11のいずれかに記載の発明において、前記積層体の平面形状が、楕円形であることを特徴とする。
また、請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の発明において、前記積層体の楕円形の短軸に対する長軸の比が、1.1〜2.0であることを特徴とする。
また、請求項14に記載の発明は、請求項1乃至13のいずれかに記載の発明において、前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする。
本発明によれば、窒化アルミニウムを用いて大きなダイアフラムの変位量を実現できる、即ち充分大きな音圧が得られるトランスデューサを提供することができる。もしくは、ダイアフラム径を大きくすることなく目標とする音圧を得ることができる。また、同じ音圧を得る場合に、より駆動電圧を低くすることができる。さらには、良好な周波数特性が得られる。
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
<実施例1>
図1は、本発明に係るトランスデューサの実施例1を説明するための断面構成図で、図中符号1はシリコン基板、2は支持層、3は第一の電極、4は窒化アルミニウムからなる圧電体層、5は第二の電極、6は積層体のうちダイアフラムとなる領域を示している。なお、積層体とは、支持層2と第一の電極3と窒化アルミニウムからなる圧電体層4と第二の電極5からなっている。
<実施例1>
図1は、本発明に係るトランスデューサの実施例1を説明するための断面構成図で、図中符号1はシリコン基板、2は支持層、3は第一の電極、4は窒化アルミニウムからなる圧電体層、5は第二の電極、6は積層体のうちダイアフラムとなる領域を示している。なお、積層体とは、支持層2と第一の電極3と窒化アルミニウムからなる圧電体層4と第二の電極5からなっている。
本発明に係るトランスデューサは、シリコン基板1と、このシリコン基板1上に支持層2と第一の電極3と窒化アルミニウムからなる圧電体層4と第二の電極5とがこの順に積層された積層体とを有するトランスデューサである。つまり、積層体は、窒化アルミニウムからなる圧電体層4と、この圧電体層4を両面から挟むようにして形成された第一の電極3及び第二の電極5と、第一の電極3側に形成された支持層2とから構成されている。
また、支持層2と第一の電極3の間に密着性を改善するための薄い層を挿入してもよい。また、第二の電極5上に表面保護層を形成してもよい。
また、第一の電極3のヤング率は、第二の電極5のヤング率より高くなっている。これにより、圧電効果による歪みを高効率で振幅変化に変換することが可能となる。ダイアフラムの振幅値或いは変位量が大きくなれば、振動の最大速度も増大し、送出可能な音圧レベルも向上する。電極の厚みは、圧電特性に影響するので最適な厚みから大きく変えることはデメリットを伴う。そのため、膜の剛性率を制御するにはヤング率の異なる最適な材料の組み合わせを選ぶことが重要になる。例えば、第二の電極5の材料のヤング率に対する第一の電極3の材料のヤング率の比が、2.3以上であることが好ましい。
第一の電極3の材料は、タングステン,白金,ルテニウム,モリブデンのいずれかを含む材料を用いることができる。また、第一の電極3は、圧電係数が大きく結晶性の良い窒化アルミニウムを成膜するために、適切な結晶面が規則正しく形成されている必要がある。タングステン,白金,ルテニウム,モリブデンは、ヤング率が大きいことに加え、このような性質も兼ね備えた第一の電極3に適した材料である。
また、第二の電極5の材料は、アルミニウム,チタン,ポリシリコン,金のいずれかを含む材料を用いることができる。また、電極を構成するこれらの材料を主成分として含んでいれば、合金等であってもよい。なお、電極を構成する材料のうち、50%以上を占める材料を、電極を構成する材料の主成分とする。また、支持層2にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。
また、窒化アルミニウムは、アルミニウムをターゲットとし、窒素雰囲気下の反応性スパッタ技術を用いて、400℃以下の基板温度で、結晶性の良い圧電係数の高い膜を成膜することが可能である。また第二の電極5上及びエッチング面上に配線絶縁層、配線層などが成膜されパターン形成される。第二の電極5に配線するためには、通常、ダイアフラムの外側で配線絶縁層をエッチング除去してコンタクト部を形成する。第一の電極3に配線するためには、通常、ダイアフラムの外側で配線絶縁層、第二の電極5と圧電体層4の一部をエッチング除去してコンタクト部を形成する。配線を済ませた後に表面保護層を形成すると信頼性、耐久性が向上する。シリコン基板1上に、支持層と電極と圧電体層と配線とを形成した後に、ディープ反応性イオンエッチングなどの深堀りマイクロマシンプロセス技術を用いて、シリコン基板1の背面側からダイアフラム6の形成領域内のシリコン基板1をエッチング除去してダイアフラム6を形成する。
図2乃至図5は、本発明に係るトランスデューサの実施例2乃至5を説明するための断面構成図で、支持層上2で、電極3,5や圧電体層4がパターン形成されたダイアフラム6の断面図を示している。なお、図1と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
<実施例2>
図2は、本発明に係るトランスデューサの実施例2を説明するための断面構成図で、圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成したものである。したがって、第二の電極5の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
図2は、本発明に係るトランスデューサの実施例2を説明するための断面構成図で、圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成したものである。したがって、第二の電極5の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
<実施例3>
図3は、本発明に係るトランスデューサの実施例3を説明するための断面構成図で、圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成するとともに、支持層2上に第一の電極3をパターン形成したものである。したがって、第一の電極3の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
図3は、本発明に係るトランスデューサの実施例3を説明するための断面構成図で、圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成するとともに、支持層2上に第一の電極3をパターン形成したものである。したがって、第一の電極3の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
<実施例4>
図4は、本発明に係るトランスデューサの実施例4を説明するための断面構成図で、第一の電極3上に窒化アルミニウムからなる圧電体層4をパターン形成するとともに、その圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成したものである。したがって、圧電体層4の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
図4は、本発明に係るトランスデューサの実施例4を説明するための断面構成図で、第一の電極3上に窒化アルミニウムからなる圧電体層4をパターン形成するとともに、その圧電体層4上に第二の電極5をパターン形成したものである。したがって、圧電体層4の面積と支持層2の面積とは異なるものである。
<実施例5>
図5は、本発明に係るトランスデューサの実施例5を説明するための断面構成図で、支持層2上に第一の電極3をパターン形成するとともに、その第一の電極3上に窒化アルミニウムからなる圧電体層4とさらにその上に第二の電極5をパターン形成したものである。
図5は、本発明に係るトランスデューサの実施例5を説明するための断面構成図で、支持層2上に第一の電極3をパターン形成するとともに、その第一の電極3上に窒化アルミニウムからなる圧電体層4とさらにその上に第二の電極5をパターン形成したものである。
図2乃至図5のパターン形状としては、円形,楕円形,正方形,長方形,リング形状,単純メッシュ形状,バネ構造を基本要素とするメッシュ構造及びその組み合わせを用いることができる。いずれの場合も変位量を増加させることができる。
電極や圧電体層の面積を支持層の面積と異ならせるように、電極や圧電体層をパターン形成することで、電界印加による圧電体の変形を効率良く膜に垂直な方向への変位に変換させ、ダイアフラムの変位量を増大させることができる。
パターン形成しない場合、すなわち、圧電体層上に一様な電極が形成されている場合、電極は等電位面を形成して、ダイアフラムの変形曲率に制限が加わり、一定以上の振幅が抑制されることとなる。これに対して、上述したようなパターン形成をすることで、電極の無い部分が剛性をやや低下させ、等電位面に由来する変形極率の制限を無くし、変位の自由度を増強させることができる。
なお、これらの効果は、熱印加の場合には、逆に反りとして悪影響を与える傾向もある。その悪影響を緩和させるためには、アルミニウムのような大きな熱膨張係数の材料ではなく、ポリシリコンやチタンのようなシリコンや窒化アルミニウムに近い熱膨張係数を有する材料を使用することが対策の1つになる。また、メッシュ状の電極パターンと組み合わせて、熱変形歪みを局所的に吸収させることも有効な対策の一つである。
<実施例6>
図6は、本発明に係るトランスデューサの実施例6を説明するための断面構成図で、表面マイクロマシン技術を用いて作製する場合を示している。図中符号11はシリコン基板、12は支持層、13は第一の電極、14は窒化アルミニウムからなる圧電体層、15は第二の電極、18はキャビティ(空洞領域)をつくりこむための層、19はキャビティ、20は犠牲層を抜くためのビアホールを示している。
図6は、本発明に係るトランスデューサの実施例6を説明するための断面構成図で、表面マイクロマシン技術を用いて作製する場合を示している。図中符号11はシリコン基板、12は支持層、13は第一の電極、14は窒化アルミニウムからなる圧電体層、15は第二の電極、18はキャビティ(空洞領域)をつくりこむための層、19はキャビティ、20は犠牲層を抜くためのビアホールを示している。
本実施例6と上述した実施例1乃至5との相違は、シリコン基板11と支持層12との間にキャビティ層18が設けられている点である。
シリコン基板11上に、キャビティをつくりこむための層18が成膜される。ダイアフラム直下のキャビティをつくりこむための領域は、支持層12の形成前に一旦エッチングされて犠牲層で埋められる。その後、支持層12と第一の電極13と窒化アルミニウムからなる圧電体層14と第二の電極15とがこの順に積層される。
上部の層がエッチングされた後、犠牲層を抜くためのビアホール20が設けられる。ビアホール20は、キャビティ19と外部をつなぐ小さな貫通孔であるため、支持層12は、ビアホール以外の部分で周囲の構造とシリコン基板11に繋がっている。ガスなどを用いた選択的エッチング技術を用いて犠牲層を抜くことによりキャビティ19が形成される。
図7及び図8は、本発明に係るトランスデューサの平面形状を示す平面図で、上述した図2乃至図6の断面構造を有するトランスデューサの平面図である。なお、符号6はダイアフラム、7は電極領域、又は電極と圧電体の両方をパターン形成した場合の電極及び圧電体層領域を示している。図7は、ダイアフラムの平面形状が長方形の場合を示し、電極や圧電体層も相似の長方形である。積層体(ダイアフラム)の長方形の短辺に対する長辺の比が、1.1〜2.0であることが好ましい。
図8は、ダイアフラムの平面形状が楕円形の場合を示し、電極や圧電体層はリング状の形状である。積層体(ダイアフラム)の楕円形の短軸に対する長軸の比が、1.1〜2.0であることが好ましい。
このように、ダイアフラムや圧電体層を長方形又は楕円形とすることで、正方形や円の場合と比較して共振ピーク数を増加させることができる。この増加した共振ピークを、ダイアフラムの背面側にキャビティ又は小型のバッフル状構造を作りこみ、その空気抵抗を利用してピークを鈍らせ減衰させると共に広幅化することによってトランスデューサの周波数特性を平坦化することができる。
図9は、支持層に対する第二の電極の面積比と1次共振の最大変位と3次共振の最大変位の関係を示した図である。ここで最大変位は、図2に示した構造を用い、シミュレーションにより算出している。それぞれ、横軸は、支持層2に対する第二の電極5の面積比、縦軸は、ダイアフラムの中心点での変位量の相対値である。このとき、支持層2と第二の電極5の面積が等しい時の変位量を1としている。これにより、第二の電極5の面積と、支持層2の面積との比が、25〜92%の時、1次の共振と3次の共振における変位量が増大していることが分かる。
また、本発明では、第二の電極5の面積と支持層2の面積との比を25〜92%にすることで、変位量が高くなるため好ましい。より変位量を高くするために36〜92%であることが好ましい。
図10は、図1に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。ダイアフラムの平面形状を、5mm正方形及び5×4.6、5×3.0、5×2.5、5×1[mm2]とした場合のシミュレーション結果を、それぞれを、実線、点線、破線等で示している。横軸は周波数、縦軸は音圧の対数であり、5mm正方形の第一ピークの値を1としたときの相対値である。
本シミュレーションでは、音圧をダイアフラムの各位置での速度の二乗和平方根によって計算している。長方形の短辺に対する長辺の比は、1.1、1.7、2、5となっている。これにより、5×4.6、5×3.0、5×2.5mm2の長方形を用いた場合、正方形に対し、ピークの数が増え、周波数応答がより平坦化しやすいことが分かる。すなわち、長方形の短辺に対する長辺の比を、1.1、1.7、2とすることで、周波数特性が向上することが分かる。
一方、長方形の短辺に対する長辺の比をさらに大きくした場合は、5×1mm2の長方形を用いた場合のように、ピークが大きくシフトして好ましくない。
図11は、図1に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を5×5mm2の正方形形状と7×3.5mm2の長方形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。5×5、7×3.5mm2とした場合のシミュレーション結果を、それぞれ実線、破線で示している。7×3.5mm2とした場合の長方形の短辺に対する長辺の比は2であるが、同様に短辺に対する長辺の比が2である図10に示した5×2.5mm2の場合と比べ面積を大きくし、一次の共振周波数を5×5mm2の正方形の場合の一次の共振周波数に近づけるとピーク数が増えている事がよく分かる。
図12は、図1に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を楕円形形状とした場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。楕円形形状を、半径5mmの円、及び楕円の長軸の長さ×短軸の長さを、それぞれ5×4.6、5×3.0、5×2.5、5×1とした場合のシミュレーション結果を、それぞれを、実線、点線、破線等で示している。横軸は周波数、縦軸は音圧の対数であり、半径5mmの円の第一ピークの値を1としたときの相対値である。
本シミュレーションでは、音圧をダイアフラムの各位置での速度の二乗和平方根によって計算している。楕円の短軸に対する長軸の比は、1.1、1.7、2、5となっている。これにより、長軸の長さ×短軸の長さを、それぞれ5×4.6、5×3.0、5×2.5の楕円形を用いた場合、円形に対し、ピークの数が増え、周波数応答がより平坦化しやすいことが分かる。すなわち、長方形の短軸に対する長軸の比を、1.1、1.7、2とすることで、周波数特性が向上することが分かる。
一方、長方形の短辺に対する長辺の比をさらに大きくした場合は、楕円の長軸の長さ×短軸の長さが、5×1となっている楕円を用いた場合のように、ピークが大きくシフトして好ましくない。従って、ダイアフラムの平面形状が楕円形状の場合、楕円形の長軸と短軸の比には最適範囲があり、その比が1.1〜2.0であることが好ましい。
図13は、図1に示した断面構造を有するトランスデューサにおいて、ダイアフラムの平面形状を半径5mmの円形形状と長軸の長さ×短軸の長さを7×3.5とした楕円形形状の場合の、共振ピークの周波数特性を示した図である。半径5mmの円形形状、長軸の長さ×短軸の長さを7×3.5とした場合の楕円形形状のシミュレーション結果を、それぞれ実線、破線で示している。楕円の短軸に対する長軸の比は、2であるが、同様に短辺に対する長辺の比が2である図10に示した5×2.5の場合と比べ面積を大きくし、一次の共振周波数を半径5mmの円形の場合の一次の共振周波数に近づけるとピーク数が増えている事がよく分かる。
表1は、図1に示した構造において、シミュレーションを用いて、第二の電極と第一の電極の組み合わせを変更した場合に得られる1次共振の最大変位の比較したものである。両方の電極を0.2μ厚のモリブデンとした場合を基準値1とした相対値で表示している。
第一の電極の材料のヤング率を、第二の電極の材料のヤング率よりも高くすることで、大きな変位を得られることが分かる。また、本発明では、第二の電極の材料のヤング率に対する第一の電極の材料のヤング率の比が、2.3以上であることが好ましい。より好ましくは、5.5以上であり、さらに好ましくは、6.6以上である。また、ヤング率の比を高くするという観点から、第一の電極を白金とし、第二の電極をアルミニウムとすることが好ましい。より好ましくは第一の電極をタングステンとし、第二の電極をアルミニウムとし、さらに好ましくは第一の電極をルテニウムとし、第二の電極をアルミニウムとするとよい。
表2は、支持層と、パターン形成した電極及び窒化アルミニウム圧電体層との面積比を一定に保持した場合の、1次共振の最大変位を示したものである。図1乃至図5に示したそれぞれの構造について、シミュレーションを用いて比較した。第一の電極にはタングステンを用い、第二の電極にはアルミニウムを用いている。パターン形成しない場合(図1の構造)に比べ、パターン形成した場合(図2乃至図5の構造)が、より大きな変位を得ることができる。
表3は、図2に示した構造において、シミュレーションを用いて、第一の電極と第二の電極の組み合わせを変更して得られた1次共振の最大変位を比較したものである。両方の電極を0.2μ厚のモリブデンとした場合を基準値1とした相対値で表示している。これにより、第一の電極材料のヤング率を第二の電極材料のヤング率よりも高くすることで、より変位が増大していることが分かる。
以上の説明では、図1乃至図5の基板背面側からのエッチングを用いてダイアフラムを形成するバルクマイクロマシンプロセスを使用した例を示したが、図6のように、基板表面側から犠牲層を抜いてダイアフラムを形成する表面マイクロマシンの場合でも同様の効果を得ることができる。
以上、主にマイクロスピーカーとしての性能向上について記述してきたが、音圧振動を電気信号に変換するマイクロフォンの場合も、感度の向上に利用することができる。感度は窒化アルミニウム圧電体の圧電係数が高いことが重要になる。圧電係数を向上させるには、プロセス技術に加えて下地電極材料即ち第一の電極材料の選択が重要になるが、好ましい下地電極は第一の電極として挙げた白金、タングステン、モリブデン、ルテニウム等いずれもヤング率の高い材料になる。膜厚を薄くすることで硬さを押さえようとすると、抵抗成分が増大してノイズの原因になるので、厚みは少なくとも0.1μ以上は必要になる。圧電体層の上下を高いヤング率の材料で挟むよりも、第二の電極材料をヤング率の低い材料を選択する、及び第一の電極、第二の電極、圧電体層の面積を支持層の面積とは異なるものとしてダイアフラムをより柔らかくして、同じ音圧を受けた場合に大きく変位する様にすることができる。そのより大きな変位を、より大きな圧電係数の圧電体層で変換することで信号対雑音比を改善したマイクロフォンを提供することが可能となる。
また、20kHz以上の周波数領域でも、同様の効果を利用することで送信性能や受信性能を改善した小型の超音波発振器や超音波センサを実現することができる。
1,11 シリコン基板
2,12 支持層
3,13 第一の電極
4,14 窒化アルミニウム圧電体層
5,15 第二の電極
6,16 ダイアフラム
7 電極領域、又は電極領域及び窒化アルミニウム圧電体領域
18 キャビティをつくりこむための層
19 キャビティ(空洞領域)
20 犠牲層を抜くためのビアホール
2,12 支持層
3,13 第一の電極
4,14 窒化アルミニウム圧電体層
5,15 第二の電極
6,16 ダイアフラム
7 電極領域、又は電極領域及び窒化アルミニウム圧電体領域
18 キャビティをつくりこむための層
19 キャビティ(空洞領域)
20 犠牲層を抜くためのビアホール
Claims (14)
- シリコン基板と、該シリコン基板上に形成された積層体とを有するトランスデューサであって、
前記積層体が、
窒化アルミニウムからなる圧電体層と、該圧電体層の両面に各々形成された第一の電極及び第二の電極と、前記第一の電極側に形成された支持層とから構成され、
前記第一の電極の材料のヤング率が、前記第二の電極の材料のヤング率より高いことを特徴とするトランスデューサ。 - 前記第一の電極は、タングステン,白金,ルテニウム,モリブデンのいずれかを含むことを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ。
- 前記第二の電極は、アルミニウム,チタン,ポリシリコン,金のいずれかを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のトランスデューサ。
- 前記第二の電極の材料のヤング率に対する前記第一の電極の材料のヤング率の比が、2.3以上であることを特徴とする請求項1,2又は3に記載のトランスデューサ。
- 前記支持層が、シリコン化合物からなることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のトランスデューサ。
- 前記第二の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のトランスデューサ。
- 前記支持層の面積に対する前記第二の電極の面積の比が、25〜92%であることを特徴とする請求項6に記載のトランスデューサ。
- 前記圧電体層の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項6又は7に記載のトランスデューサ。
- 前記第一の電極の面積と前記支持層の面積とが、異なることを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載のトランスデューサ。
- 前記積層体の平面形状が、長方形であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のトランスデューサ。
- 前記積層体の長方形の短辺に対する長辺の比が、1.1〜2.0であることを特徴とする請求項10に記載のトランスデューサ。
- 前記積層体の平面形状が、楕円形であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかいに記載のトランスデューサ。
- 前記積層体の楕円形の短軸に対する長軸の比が、1.1〜2.0であることを特徴とする請求項12に記載のトランスデューサ。
- 前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかに記載のトランスデューサ。
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Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011124973A (ja) * | 2009-11-16 | 2011-06-23 | Seiko Epson Corp | 超音波トランスデューサー、超音波センサー、超音波トランスデューサーの製造方法、および超音波センサーの製造方法 |
WO2013165709A3 (en) * | 2012-05-01 | 2014-05-15 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth piezoelectric transducer arrays |
CN103959818A (zh) * | 2011-11-29 | 2014-07-30 | 高通Mems科技公司 | 具有压电、导电及介电隔膜的微型扬声器 |
JP2015026700A (ja) * | 2013-07-25 | 2015-02-05 | 株式会社クリエイティブ テクノロジー | センサ一体型吸着チャック及び処理装置 |
WO2016125702A1 (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-11 | 株式会社ダイセル | 超音波の送受信素子 |
JP2016146515A (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-12 | 株式会社ダイセル | 超音波の送受信素子 |
US9454954B2 (en) | 2012-05-01 | 2016-09-27 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth transducer with dual electrode |
KR20160114068A (ko) * | 2013-12-23 | 2016-10-04 | 유사운드 게엠바하 | 음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기 |
US9647195B2 (en) | 2012-05-01 | 2017-05-09 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Multi-frequency ultra wide bandwidth transducer |
US9660170B2 (en) | 2012-10-26 | 2017-05-23 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Micromachined ultrasonic transducer arrays with multiple harmonic modes |
CN107920313A (zh) * | 2016-08-27 | 2018-04-17 | 深圳市诺维创科技有限公司 | 一种微型压电超声换能器及其制作方法 |
US10478858B2 (en) | 2013-12-12 | 2019-11-19 | Qualcomm Incorporated | Piezoelectric ultrasonic transducer and process |
US10593860B2 (en) | 2014-06-12 | 2020-03-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric device |
-
2008
- 2008-04-17 JP JP2008108128A patent/JP2009260723A/ja not_active Withdrawn
Cited By (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011124973A (ja) * | 2009-11-16 | 2011-06-23 | Seiko Epson Corp | 超音波トランスデューサー、超音波センサー、超音波トランスデューサーの製造方法、および超音波センサーの製造方法 |
US10735865B2 (en) | 2011-11-29 | 2020-08-04 | Snaptrack, Inc. | Transducer with piezoelectric, conductive and dielectric membrane |
CN103959818A (zh) * | 2011-11-29 | 2014-07-30 | 高通Mems科技公司 | 具有压电、导电及介电隔膜的微型扬声器 |
US10003888B2 (en) | 2011-11-29 | 2018-06-19 | Snaptrack, Inc | Transducer with piezoelectric, conductive and dielectric membrane |
JP2015507388A (ja) * | 2011-11-29 | 2015-03-05 | クォルコム・メムズ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド | 圧電導電性誘電体膜を備えたマイクロスピーカー |
US9454954B2 (en) | 2012-05-01 | 2016-09-27 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth transducer with dual electrode |
WO2013165709A3 (en) * | 2012-05-01 | 2014-05-15 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth piezoelectric transducer arrays |
EP4086011A1 (en) * | 2012-05-01 | 2022-11-09 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth piezoelectric transducer arrays |
US9061320B2 (en) | 2012-05-01 | 2015-06-23 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Ultra wide bandwidth piezoelectric transducer arrays |
US9647195B2 (en) | 2012-05-01 | 2017-05-09 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Multi-frequency ultra wide bandwidth transducer |
US9660170B2 (en) | 2012-10-26 | 2017-05-23 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Micromachined ultrasonic transducer arrays with multiple harmonic modes |
JP2015026700A (ja) * | 2013-07-25 | 2015-02-05 | 株式会社クリエイティブ テクノロジー | センサ一体型吸着チャック及び処理装置 |
US10478858B2 (en) | 2013-12-12 | 2019-11-19 | Qualcomm Incorporated | Piezoelectric ultrasonic transducer and process |
KR20160114068A (ko) * | 2013-12-23 | 2016-10-04 | 유사운드 게엠바하 | 음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기 |
KR102208617B1 (ko) * | 2013-12-23 | 2021-01-28 | 유사운드 게엠바하 | 음향 에너지 반사 증간층을 구비한 멤스 음향 변환기 |
US10593860B2 (en) | 2014-06-12 | 2020-03-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Piezoelectric device |
WO2016125702A1 (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-11 | 株式会社ダイセル | 超音波の送受信素子 |
JP2016146515A (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-12 | 株式会社ダイセル | 超音波の送受信素子 |
CN107920313A (zh) * | 2016-08-27 | 2018-04-17 | 深圳市诺维创科技有限公司 | 一种微型压电超声换能器及其制作方法 |
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