JP2011015423A - 超音波変換器のアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高い圧電結合係数ｋの圧電層を有する改善された超音波変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板（１）と、膜（２）と、第１の電極（４）と、圧電層（５）と、第２の電極（６）とを夫々有する超音波変換器のアレイに関わり、基板（１）は、膜（２）と一つの側において隣り合う少なくとも一つの開口部（３）を有し、圧電層（５）は高い圧電結合係数ｋを有しテクスチャされている。本発明は、超音波変換器、及び、超音波変換器のアレイを製造する方法に更に関わる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々が有し、上記基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波変換器のアレイに関わる。本発明は、更に、超音波変換器、及び、超音波変換器を製造する方法に関わる。
超音波の生成は、純粋に機械的手段、又は、磁気ひずみ或いは圧電効果を利用する電気音響変換器を用いて行われる。超音波は、今日では技術的に容易に実現できるため、幅広く使用されている。従って、超音波は、医学診断又は非破壊材料試験において画像を生成するために使用される。
最も幅広く使用されている電気音響変換器は、圧電効果に基づいている。実際、一次元の又は二次元のアレイシステムが単一の変換器システムに加えて最も使用されている。二次元アレイシステムは、三次元画像を表示することに関して特に好ましい。
音響変換器における圧電素子の励起は、数ｋＨｚ乃至数ＭＨｚの周波数でＡＣ場において、又は、特に画像生成のいずれかにおいて、数ＭＨｚの基礎周波数及び１００％までの相対帯域幅の短い発振バーストによって行われる。場の方向における圧電素子の往復運動は、例えば、水又は生物学的組織のような結合された媒体中で連続的な又は脈打つ超音波を生成する。組織の密度に依存して変化する反射、及び、路の長さと共に変化するスループット時間は、医学診断における画像生成のために利用される。
圧電超音波変換器は、今日では圧電セラミックブロックから製造されている。正確に定められた寸法を有し、上側及び下側に電極のある圧電セラミックブロックは、実装予備的形成品においてアレイに取り付けられる。
これら従来のシステムの不都合な点は、制御回路が別個で構成され、システム中に組み込まれ得ない点である。
より安価な超音波変換器アレイシステムは、いわゆる圧電マイクロマシン超音波変換器（ＰＭＵＴ）によって形成される。圧電超音波変換器のアレイは、シリコン上に直接的に設けられる。このような超音波変換器は、シリコン基板以外に第１の電極、圧電層、及び、第２の電極が設けられる膜を有する。膜は、開口部が形成されるようシリコンをエッチングすることを通じて簡単に得られ得る。圧電素子の長さにおける変化は、膜を振動させるように励起させる。このような超音波変換器のアレイを製造するためには、一つのシリコン基板上に幾つかの膜を形成するよう幾つかの開口部が生成される。
このような超音波変換器は、ＵＳ５，９５６，２９２（特許文献１）から公知である。圧電層のために使用される材料は、例えば、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ４、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３（Ｏ＜ｘ＜１）、ＢａＴｉＯ３、又は、ＳｒＴｉＯ３のようなセラミック材料である。
しかしながら、広帯域周波数適用に関して、特に高い圧電結合係数ｋの材料が要求される。
米国特許第５，９５６，２９２号明細書
従って、本発明は、高い圧電結合係数ｋの圧電層を有する改善された超音波変換器を提供することを目的とする。
この目的は、基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、膜と一つの側で隣り合う開口部を少なくとも一つ有する超音波変換器のアレイを用いて実現され、このとき上記圧電層は構造を有する表面である。
多結晶圧電層と比較して圧電層を構造化することを通じて圧電結合係数ｋが明らかに増加される。
圧電層は、単結晶層であることが好ましい。
圧電層が単結晶層によって形成される場合、完全に理想的な構造が得られる。
一つの電極の材料が構造化されていることも更に好ましい。
構造を有する電極上に圧電層を製造することは、圧電層の材料を構造化させることを可能にする。
圧電層は、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3 (0<=x<=1, 0<=y<=1), Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3, Sr3TaGa3Si2O14, K(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0<=x<=1), Na(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0<=x<=1), BaTiO3, (K1-xNax)NbO3 (0<=x<=1), (Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3, (Bi,Na)TiO3, Bi7Ti4NbO21, (K1-xNax)NbO3-(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3 (0<=x<=1), a(BixNa1-x)TiO3-b(KNbO3-c)-(1/2)(Bi2O3-Sc2O3) (0<=x<=1, a+b+c=1), (BaaSrbCac)TixZr1-xO3 (0<=x<=1, a+b+c=1), (BaaSrbLac)Bi4Ti4O15 (a+b+c=1), Bi4Ti3O12, LiNbO3, La3Ga5.5Nb0.5O14, La3Ga5SiO14, La3Ga5.5Ta0.5O14,及びPbZrxTi1-xO3 (0<=x<=1)から成る群から選択される材料を有することが特に好ましい。またその材料には、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉのドーパント又はこれらドーパントの組み合せがドープされたものも、ドープされていないものも含まれる。
障壁層が圧電層に面する、基板の側に設けられることが有利である。
この障壁層は、変換器の処理中、膜とその上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
第１の及び第２の電極が圧電層の両端に配置されることが好ましい。
電極を圧電層の両端に配置することにより、圧電層のポールされた動作が可能となる。
電極が圧電層の同じ表面上に配置されることも好ましい。
少なくとも一つの更なる電極が第１の電極と第２の電極との間に配置されることが更に好ましい。
変換器の電気インピーダンスは、この電極配置によって減少される。
少なくとも２つの電極が同じ極性を有し、少なくとも一つの電極が反対の極性を有することが有利であり、同じ極性の電極は並列に結合される。
これにより変換器の電気インピーダンスが減少される。
複数の電極は同心円を形成することが好ましい。
本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波変換器のアレイに関わり、このアレイは膜の圧電層に面する側に障壁層が設けられることを特徴とする。
この障壁層は、変換器の処理中、膜とその上にある層との間の化学的相互作用を防止する。
一方の電極が障壁層上に形成される構造を有する電極であることが好ましい。
障壁層が膜の層の曲げ剛性よりも小さい曲げ剛性を有することが更に好ましい。
変換器の中立面と圧電層との間の距離が圧電層の厚さよりも大きいことが有利である。
この対策により、有効な結合係数が高められる。
障壁層が圧電層の厚さよりも厚いことが更に有利である。
本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波変換器に更に関わり、上記圧電層は構造を有する層である。
本発明は、基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有し、基板が、膜と一つの側で隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波変換器のアレイを製造する方法に更に関わり、このとき上記圧電層は構造を有するように製造される。
本発明は、図面及び１０の実施例を参照して以下に詳細に説明する。
図１において、超音波変換器の可能な実施例は、例えば、シリコン、（１００）配向又は（１１１）配向を有するシリコン、（１００）配向を有するＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３、サファイア、ＧａＡｓ、例えば、ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３のようなセラミック材料、例えば、平坦化層を夫々有するＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３のようなセラミック材料、ガラスセラミック材料、又は、ガラス材料を有し得る基板１を含む。無機材料、有機材料、又は、無機及び有機材料の組み合せを有し得る膜２が基板１に設けられる。使用される無機材料は、例えば、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、多結晶シリコン、Ｓｉ３Ｎ４、又は、これら材料から成る積層システムでもよい。少なくとも一つの開口部３がエッチング又はスタンピングを手段として基板１に形成される。開口部３は、膜２と一つの側で隣り合う。開口部３上にある膜２は、この開口部により振動することが可能である。基板１が、配向、例えば、（１００）配向を有するＭｇＯの材料を有する場合、開口部３が基板１を完全に通らず、薄層が残留し膜２を形成することが好ましくなり得る。
第１の電極４は、膜２の上にあり、この電極は、例えば、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ、
Figure 2011015423
 を有する。圧電層５は、第１の電極４に設けられる。圧電層５の層の厚さは、１乃至５０μｍであることが好ましい。より高い帯域幅を実現するためには、高い圧電結合係数ｋの材料が圧電層５に使用される。第２の電極６が圧電層５に設けられ、この電極は、例えば、Ａｌ、ＳｉでドーピングされたＡｌ、ＣｕでドーピングされたＡｌ、５０ｎｍ乃至１μｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ／２０乃至６００ｎｍの層の厚さを有するＰｔ、１乃至２０ｎｍの層の厚さを有するＴｉ、
Figure 2011015423
 を有する。図に示す以外の代替の実施例では、電極４、６は、圧電層５の横方向のポール動作のために圧電層５の横の両端に配置されてもよい。変換器の電気インピーダンスを減少するために、更なる電極が圧電層５の端の間で横方向に設けられてもよい。例えば、４つの電極が圧電層５の横の表面にわたって離散的な位置で形成されてもよく、このとき交番電極は交番極性を有し、及び、同じ極性を有する電極は電気インピーダンスを減少させるために並列して結合される。
膜２と第１の電極４との間に障壁層７が設けられることも有利である。この障壁層７は、膜２とその上にある層、例えば、第１の電極４又は圧電層５との間の可能な化学的相互作用を防止する。障壁層７は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、又は、ＬａＡｌＯ３、並びに幾つかのこれら材料の合成物を有してもよい。更に、構造を有する電極が障壁層７上に容易に形成され得る。障壁層７は、膜の層の曲げ剛性よりも実質的に少ない曲げ剛性を有することが好ましい。この特性は、障壁層７の厚さと共に、変換器の中立面と圧電層５との間の距離を圧電層５の厚さよりも幾らか大きくすることを可能にし、変換器の有効な結合係数を改善する。障壁層７が圧電層５よりも厚いことが好ましい。
電圧は、第１の電流供給接触部８及び第２の電流供給接触９を通じて圧電層５に印加され得、各電流供給接触部は夫々の電極４、６に接続され、圧電層５は従って振動され得る。圧電層５が音響エネルギーによって励起される場合、結果となる電圧は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９を通じて切断され、測定され得る。
有機材料又は無機材料、或いは、それら材料の組み合せの保護層は、超音波変換器全体にわたって設けられてもよい。使用される有機材料は、例えば、ポリベンゾシクロブテン又はポリイミドでもよく、無機材料は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、又はＳｉｘＯｙＮｚ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１）でもよい。
圧電層５中の材料は、高い圧電結合係数ｋを実現するために好ましくは柱状成長によって構造が形成される。構造が形成された圧電層５中の圧電材料の結晶は、外部のサンプリング幾何学に対して好ましい方向を有し、夫々の結晶学的向きに関して互いに対して統計的にランダムに配置されていない。
テクスチャ構造の圧電層５は、例えば、ゾル・ゲル処理、スパッタリング、ＣＶＤ（化学気相成長）処理、又は、プリント手法のような薄膜処理を用いて実現されてもよい。圧電層５は、予め焼結され機械的に処理された圧電材料の層を結合又は接着することで第１の電極４上に設けられてもよい。
更なる代替物はいわゆるテンプレート・グレイン成長（TGG）方法によって形成される。この方法では、多結晶層が単結晶テンプレート上に設けられる。多結晶層は、高温で加熱することで構造を有する単結晶層に変換される。
圧電層５に使用され得る材料は、例えば、強誘電体、電気歪材料、並びに特別な圧電材料である。従って、例えば、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3 (0<=x<=1, 0<=y<=1), Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3, Sr3TaGa3Si2O14, K(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0<=x<=1), Na(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0<=x<=1), BaTiO3, (K1-xNax)NbO3 (0<=x<=1), (Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3, (Bi,Na)TiO3, Bi7Ti4NbO21, (K1-xNax)NbO3-(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3 (0<=x<=1), a(BixNa1-x)TiO3-b(KNbO3-c)-(1/2)(Bi2O3-Sc2O3) (0<=x<=1, a+b+c=1), (BaaSrbCac)TixZr1-xO3 (0<=x<=1, a+b+c=1), (BaaSrbLac)Bi4Ti4O15 (a+b+c=1), Bi4Ti3O12, LiNbO3, La3Ga5.5Nb0.5O14, La3Ga5SiO14, La3Ga5.5Ta0.5O14,及びPbZrxTi1-xO3 (0<=x<=1)が圧電層５に使用されてもよい。またこれらの材料には、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉのドーパント又はこれらのドーパントの組み合せがドープされても良いし、ドープされなくても良い。
方向付けられた第１の電極４、構造を有する障壁層７、又は、構造を有する膜２上への圧電層５の構成された堆積は、圧電層５の構造に影響を与えることができる。
従って、熱的に予熱されていない（１１１）配向を有するＰｔの第１の電極４を用いることで（１１１）配向を有する圧電層を成長することができる。（１１１）配向を有するＰｔの熱的に予熱された第１の電極を使用することで、（１００）及び（１１１）配向、又は、（１００）配向だけの圧電層を成長することが可能となる。
（１１１）配向を有するＰｔの熱的に予熱された第１の電極４上に堆積する以外に圧電層５の材料の成長に影響を与える別の方法が使用されてもよい。
膜２又は（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７を使用することは、（１００）配向を有するＰｔを第１の電極４として成長することを可能にする。結果として、上記圧電材料は、構造を有する層の状態で、テクスチャ構造の第１の電極４上で成長され得る。
圧電層５の構造は、例えば、レーザアニーリングのような更なる処理を通じて単結晶状態の方に更に改善され得る。
圧電層５の成長、結晶度、及び配向を改善するためには、第１の電極４上に核生成された層が設けられてもよい。
圧電結合係数ｋを高める更なる可能性は、圧電層５におけるセラミック材料を極性化することである。セラミック材料は、第１の及び第２の電極４、６にバイアス電圧を印加することを通じて場の方向に分極され得る。
図１に示す超音波変換器の実施例では、第１の電極４は、圧電層５の下に配置され、第２の電極６は圧電層５の上に配置される。第１の及び第２の電流供給接触部８、９を通じて電極４、６にＡＣ電圧を印加することは、圧電層５を縦方向又は層の厚さに対して垂直な横方向に振動するように励起させる。
或いは、電極４、６は、圧電層５の一つの側、例えば、膜２と反対側にだけ構成された方法で設けられてもよい。この場合、ＡＣ電圧を印加することは、層の面において圧電層５を縦方向に振動にさせるように励起させる。核生成層は、この場合、成長、結晶度、及び配向のために障壁層７に設けられてもよい。
或いは、基板１は、その背面側にＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４、或いは、これら材料の組み合せの絶縁層を有してもよい。
複数のこのような超音波変換器が基板１上に設けられてもよい。超音波変換器の一次元の又は二次元のアレイは、個々の超音波変換器の適切な電気接続を通じて製造され得る。圧電層５と、第１の及び第２の電極４、６と、存在するならば核生成層とは、個々の超音波変換器が互いから空間的に分離されるようにしてこの場合構成される。
膜２は、超音波変換器のアレイを製造するために基板１上に形成される。この目的のために、適切な材料の層が基板１上に堆積されてもよい。開口部３は、エッチング処理を手段として基板１中に形成されてもよく、この開口部は、基板１を完全に通り、膜によって一つの側に境界が付けられる。
或いは、例えば、基板１は、部分的にだけエッチングされ、それにより薄層が残留し、膜２となる。
障壁層７は、膜２上に設けられてもよい。第１の電極４は、開口部３が存在する基板の全ての場所において適用可能であれば膜２又は障壁層７に設けられる。構造を有する圧電層５は、各第１の電極４上に設けられ、第２の電極６は各圧電層５の上に設けられる。第１の及び第２の電極４、６には、第１の及び第２の電流供給接触８、９が夫々設けられる。
或いは、開口部３は、膜２の中に部分的に延在してもよい。この目的のためには、開口部３の相互に対向する領域にある膜２の一部分は、例えば、エッチング又はスパッタリングを通じて除去される。膜２の共振振動数及び音響インピーダンスは、この対策によって音響的に振動されるよう媒体に適合され得る。
図２は、超音波変換器の更なる実施例を示す。本実施例では、開口部３の相互に対向する領域にある膜２の一部分が例えば、エッチング又はスパッタリングを手段として除去される。更に、例えば、障壁層７、第１の電極４、圧電層５、及び、第２の電極６のような膜２の上にある層の幅は、最大でも開口部３と隣り合う膜２の領域位の幅である。層は、従って、図２に対して垂直にとられる断面で基板１に接続されている。
セラミック材料の基板１を有する超音波変換器の製造は、代替の方法で行われてもよい。このためには、最初に基板１が例えば、ＺｒＯ２或いはＡｌ２Ｏ３のようなセラミックパウダー、及び有機結合剤からフィルムキャスティング処理において製造される。開口部は、超音波変換器のアレイに対して要求される数においてスタンピング処理で基板１中に形成される。このとき基板は、セラミック材料のフィルムで完全に覆われ、ラミネートされ、焼結される。第１の電極４は、開口部３がある基板１中の全ての場所において焼結された膜２の上に設けられる。核生成層、例えば、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２を有する核生成層は、各電極４に設けられる。核生成層は、第１の電極４を部分的に、好ましくはその１０％を覆う。このとき圧電層５のセラミック材料が核生成層上に、好ましくは厚フィルム処理で設けられ、１２７５℃で構造を有するように焼結される。圧電層５においてどの配向が存在するかは、セラミック材料の正確な組成及びドーピングに依存する。最後に、第２の電極６は、核圧電層５上に設けられ、各電極４、６は夫々の電流供給接触部８、９を具備する。
或いは、他の方法が構造を有する圧電層５を製造するために使用されてもよく、例えば、構造を有する基板１、構造を有する障壁層７、又は、構造を有する第１の電極４を使用してもよい。
超音波変換器のアレイ又は一つの超音波変換器の構成、及び、様々な層及び／又は開口部３の成形における代替物は、当業者に公知である。
本発明の実施例を以下により詳細に説明し、本発明がどのようにして実際に実現されるかを示す。
実施例１
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配向を有するように成長される。（１００）配向及び（１１１）配向を有するＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の層は、圧電層５を形成するよう各第１の電極４上に設けられる。Ｐｔの第２の電極６は、各圧電層５上に設けられる。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。それにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例２
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配向を有するように成長されるＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３。の薄い核生成層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。それにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例３
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。ＴｉＯ２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がエッチングされた全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配向を有するように成長される。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向及び（１１１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。それにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例４
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を支持するシリコンの基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。開口部３の相互に対向する領域にある膜２の一部分は、エッチングを手段として除去される。ＺｒＯ２の障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は基板１中の、開口部３がある全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１１１）配向を有するように成長される。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向及び（１１１）配向を有するＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。ＴｉＷ／Ａｌの第２の電極６は、各圧電層５上にある。膜の上にある層の幅は、開口部３の領域において最大でも膜２の幅である。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。これにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例５
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、基板１中の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５として各核生成層上に設けられる。ＴｉＷ／Ａｌの第１の及び第２の電極４、６は各圧電層５上にある。２つの電極４、６は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超音波変換器を形成するように構成される。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。これにより、各超音波変換器が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例６
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコンの基板１を含む。反対側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。（１００）配向を有しランタン及びマンガンでドーピングされたＰｂＺｒ０．１５Ｔｉ０．８５Ｏ３の層は、圧電層５を形成するよう障壁層７に成長される。Ｐｔの第１の及び第２の電極４、６が各圧電層５上にある。２つの電極４、６は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超音波変換器を形成するように構成される。超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。個々の超音波変換器夫々に高められた温度でバイアス電圧を印加することは、圧電層５中のセラミック材料を場の方向に分極する。これにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例７
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長される。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は、各第１の電極４に設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。Ｐｔの第２の電極６が各圧電層５上にある。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。これにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例８
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。Ｔｉ／Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設けられる。第１の電極４のＰｔを含む層は、（１００）配向を有するように成長される。（００１）配向を有するＰｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各第１の電極４に生長される。Ｐｔの第２の電極６が各圧電層５上にある。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。個々の超音波変換器は、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１に電気的に接続されている。これにより、超音波変換器夫々が非常に高い圧電結合係数ｋを有する超音波変換器のアレイが得られる。
実施例９
超音波変換器のアレイは、一方の側にＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２の絶縁層を有するシリコン基板１を有する。反対側には、ＳｉＯ２／多結晶シリコン／ＳｉＯ２の積層システムから成る膜２が設けられる。基板１は、膜２と一つの側で夫々隣り合う複数の開口部３を有する。（１００）配向を有するＭｇＯの障壁層７が膜２上にある。ＰｂＺｒ０．３５Ｔｉ０．６５Ｏ３の薄い核生成層は基板１の開口部３がある全ての場所において障壁層７に設けられる。（００１）配向を有するＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３の層は、圧電層５を形成するよう各核生成層に生長される。ＴｉＷ／Ａｌの第１の及び第２の電極４、６は、各圧電層５上にある。２つの電極は、圧電層５の上側にある２つの電極表面が毎回超音波変換器を形成するように構成される。各超音波変換器の第１の及び第２の電極４、６は、第１の及び第２の電流供給接触部８、９に夫々接続されている。これらは、一次元アレイの超音波変換器が得られるよう基板１上の他の超音波変換器に電気的に接続されている。
実施例１０
超音波変換器のアレイは、平均的な粒の大きさが０．４μｍのイットリウム安定化されたＺｒＯ２及び適切な有機結合剤からフィルムキャスティング処理で製造される４００μｍの厚さの基板１を有する。開口部３は、超音波変換器の予想されるアレイに対して必要な数のスタンピング処理で基板１中に形成される。開口部３は、基板の中を完全に通る。基板１は、その後第２の、１０μｍの厚さのフィルムのイットリウム安定化されたＺｒＯ２で完全に覆われ、ラミネートされ、焼結される。それにより、焼結された膜２を有する基板１が得られる。Ｐｔの第１の電極４は、基板１中の開口部がある全ての場所において焼結された膜２に設けられる。第１の電極４は、２乃至５μｍの平均的な径を有するＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２の針状結晶の核生成層で約１０％コーティングされる。針状結晶は、第１の電極４上に平坦におかれ、それにより、好ましい方向を示し、その後の焼結処理において結晶核として機能する。次に３０μｍの厚さのセラミックパウダーの形態で厚フィルム処理において各核生成層上にＰｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３が設けられ、１２７５℃で構造を有するように焼結される。Ａｇの夫々の第２の電極６がその後に設けられる。第１の及び第２の電極４、６夫々には第１の及び第２の電流供給接触部８、９が設けられ、一次元のアレイの超音波変換器が得られるように基板１上の他の超音波変換器と接続される。
超音波変換器の構成を示す断面図である。 更なる超音波変換器の構成を示す断面図である。
１ 基板
２ 膜
３ 開口部
４ 第１の電極
５ 圧電層
６ 第２の電極
７ 障壁層
８ 第１の電流供給接触部
９ 第２の電流供給接触部

Claims (5)

  1. 基板と、膜と、第１の電極と、圧電層と、第２の電極とを夫々有し、上記基板が、上記膜と一つの側において隣り合う少なくとも一つの開口部を有する超音波変換器のアレイであって、上記膜の上記圧電層に面する側に障壁層が設けられることを特徴とする超音波変換器のアレイ。
  2. 一方の電極が上記障壁層に形成される構造を有する電極であることを特徴とする請求項１記載の超音波変換器のアレイ。
  3. 上記障壁層が上記膜の層の曲げ剛性よりも小さい曲げ剛性を有することを特徴とする請求項１記載の超音波変換器のアレイ。
  4. 変換器の中立面と上記圧電層との間の距離が上記圧電層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項３記載の超音波変換器のアレイ。
  5. 上記障壁層が上記圧電層よりも厚いことを特徴とする請求項１記載の超音波変換器のアレイ。
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