JP2011155345A - 静電容量型電気機械変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】可動な領域の電極部分が可動な領域の機械特性に影響を与えにくく、且つ可動な領域の部分を含む電極面内の電位分布を低減することができる静電容量型電気機械変換装置を提供する。
【解決手段】静電容量型電気機械変換装置は、第1の電極102と、間隙106を介して第1の電極102と対向して配置された第2の電極107を有する。第1の電極102の単位面積あたりの抵抗率が、第2の電極107に対して可動な領域の第1の電極103と第2の電極107に対して不動な領域の第1の電極104とにおいて異なる。可動な領域の第1の電極103の厚さが、不動な領域の第1の電極104の厚さ以下である。
【選択図】 図1

Description

本発明は、超音波などの弾性波の送受信(本明細書で送受信と言う場合、送信と受信のうちの少なくとも一方を意味する)を行う静電容量型電気機械変換装置に関する。
超音波の送受信を行うトランスデューサとして、静電容量型電気機械変換装置であるCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic
Transducer)が提案されている(特許文献1参照)。CMUTは、半導体プロセスを応用したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスを用いて作製することができる。図3はCMUTの模式図であり、(a)は上面図、(b)はX-X’断面図、(c)はY-Y’断面図である。図3において、101は振動膜、102は第1の電極(上部電極)、105は支持部、106は間隙、107は第2の電極(下部電極)、108は基板である。このCMUTでは、振動膜101上に第1の電極102が形成され、その振動膜101は、基板108上に形成された支持部105により支持されている。基板108上には、振動膜101上に形成した第1の電極102と、これと間隙106(通常10nm〜900nm)を挟んで対向した第2の電極107が配置されている。図3では、振動膜101が外力により基板108側に少し撓んだ状態で記載している。これらの振動膜101と間隙106を挟んで対向した2つの電極を1組としてセルと呼ぶ。トランスデューサアレイであるCMUTは、複数(通常100〜3000個程度)のセルを1エレメントとして、200〜4000程度のエレメントから構成され、CMUT自体は10mm〜10cm程度のサイズが一般的である。
特表2003−527947号公報
CMUTにおいて、全ての第1の電極102は電気的に接続されている。しかし、振動膜101周辺部上では、一部、第1の電極102が形成されていない領域P(図3(a)の斜線表示部分)が存在する。これは、振動特性へ特に大きな影響を与える振動膜101周辺部分の電極面積を、送受信の効率に大きな影響を与えない範囲に減らすためである。振動膜101上に形成される第1の電極102の厚さはサブミクロン程度であり、0.1μm〜1.0μm程度の厚さの振動膜101に対して無視できない値となり、第1の電極102はCMUTの振動特性に大きな影響を与える。そこで、振動膜上の第1の電極の厚さはできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、第1の電極を薄くすると、電極での配線抵抗成分が大きくなり、CMUT面内で第1の電極に印加する電位が不均一になって分布が発生する。CMUTの送受信動作時には、第1の電極には所望の電位が印加されており、第1の電極と第2の電極間に電位差が存在する。この電位差により、第1の電極と第2の電極間に外力として静電引力が発生し、基板側に振動膜が撓んだ状態で、超音波の送受信が行われる。この撓み量により、超音波の送受信効率が決まる。そのため、CMUTの第1の電極面内に電位分布が発生すると、振動膜の撓み量が変化し、CMUTの送受信特性にばらつきを発生させる。このばらつきは、超音波の情報を元にして再現される画像などを劣化させる要因となる。
上記課題に鑑みて、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、次の特徴を有する。第1の電極と、間隙を介して前記第1の電極と対向して配置された第2の電極と、を有し、送信動作と受信動作との少なくとも一方を行う。送信動作では、前記第1及び第2の電極間に変調する静電引力を発生させることにより前記第1の電極を振動させて弾性波を送信する。受信動作では、弾性波を受けて前記第1の電極が振動することによる前記第1及び第2の電極間の容量の変化を検出する。また、前記第1の電極の単位面積あたりの抵抗率が、前記第2の電極に対して可動な領域と前記第2の電極に対して不動な領域とにおいて異なる。そして、前記可動な領域の第1の電極の厚さが、前記不動な領域の第1の電極の厚さ以下である。
本発明により、第1の電極が可動部分の機械特性に影響を与えにくく、且つ第1の電極面内の電位分布を低減することができる静電容量型電気機械変換装置を実現可能となる。
第1及び第2の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。 第3及び第4の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置を説明する図。 従来の静電容量型電気機械変換装置を説明する図。
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の静電容量型電気機械変換装置の重要な点は、前記可動な領域の厚さを前記不動な領域の厚さ以下にするという条件の下に、第1の電極の単位面積あたりの抵抗率を、前記可動な領域と前記不動な領域とで異ならせることである。第1の電極の厚さの規定は、可動部分の機械特性の向上に係り、抵抗率の規定は、第1の電極面内の電位分布の抑制に係る。この考え方に基づき、本発明の容量型電気機械変換装置の基本的な形態は、上述した様な構成を有する。この基本的な形態を基に、次に述べる様な実施形態が可能である。
典型的には、第1の電極面内の電位分布を容易に低減できる様にするために、前記抵抗率を、前記可動な領域より、前記不動な領域において小さくする。また、前記第1の電極を、支持部で支持された振動膜上に形成し、前記第1の電極の下部に支持部がない領域(前記可動な領域)の第1の電極が持つバネ定数を、振動膜の持つバネ定数より小さくすることができる(後述の実施形態参照)。ただし、振動膜が第1の電極を兼ねる構成とすることもできる。また、前記可動な領域と前記不動な領域とで、第1の電極の電極材料が同じであり、前記可動な領域の第1の電極の厚さを、前記不動な領域の第1の電極の厚さより薄くすることができる(後述の第1の実施形態参照)。また、前記可動な領域と前記不動な領域とで、第1の電極の電極材料が異なっている様にすることができる(後述の第2の実施形態参照)。また、前記不動な領域において、前記可動な領域の第1の電極の電極材料と異なる電極材料を積層して第1の電極を構成することができる(後述の第3の実施形態参照)。また、前記可動な領域と前記不動な領域とで、前記可動な領域の第1の電極が撓んでいない状態において、第1の電極の高さが一致する様にすることができる(後述の第4の実施形態参照)。この場合、前記不動な領域で、同じ材料から成る第1の電極の一部が、第1の電極を支持するための支持部が有する溝に充填される構造にすることができる(第4の実施形態参照)。しかし、前記可動な領域と前記不動な領域とで、異なる電極材料を用いる構成(後述の第2、3の実施形態参照)でも、この様な構造にすることができる。
また、第1の電極と対向して配置される第2の電極を絶縁材料の基板上に配設する構成とできるが、基板を導電材料で形成して、第1の電極を兼ねる構成とすることもできる。また、前述した様に、典型的には、容量型電気機械変換装置は、複数のセルから構成される素子であるエレメントを複数有し、各エレメントで複数の第1の電極は接続されて電気回路に接続され、第2の電極は互いに独立に電気回路に接続される。こうした構成により、音波、超音波、音響波、光音響波などの弾性波を第1及び第2の電極間の静電容量の変化で検出する受信動作を実行できる。また、第1及び第2の電極間に変調電圧を印加して両電極間に変調する静電引力を発生させ、第1の電極を振動させることにより、超音波などの弾性波を送信する送信動作を実行できる。また、複数のセルに亘り振動部が連続的に形成されていて、その可動部が振動膜、その不動部が支持部となる様に構成することもできる。こうした構成は、次に説明するサーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法で容易に作製することができる。
容量型電気機械変換装置は、例えば、シリコン基板上にキャビティ構造を形成し、SOI基板を接合させるバルクマイクロマシニングを利用した方法を用いて作製することができる。また、この他にも、サーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法を用いることができる。具体的には、例えば、次の様にする。キャビティ形成用のポリシリコン層の犠牲層上にシリコン窒化膜をメンブレンとして成膜し、エッチングホールを形成する。このエッチングホールよりポリシリコン層を犠牲層エッチングし、キャビティを形成する。最後にエッチングホールをシリコン窒化膜で埋めることによりキャビティを形成する。
本発明の容量型電気機械変換装置で用いられる第2の電極は、次の様な材料で形成できる。即ち、Al、Cr、Ti、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta、Ni等から選択される導電体、Si等の半導体、AlSi、AlCu、AlTi、MoW、AlCr、TiN、AlSiCu等から選択される合金のうちの少なくとも一材料で形成できる。また、第1の電極は、振動膜の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは、前述した様に振動膜を導電体や半導体で形成する場合は振動膜が第1の電極を兼ねる構造とすることもできる。本発明で用いられる第1の電極も、第2の電極と同様の導電体や半導体等により形成することができる。第1の電極と第2の電極の材料は異なっていてもよい。前述した様に、基板がシリコン等の半導体基板などである場合、基板が第2の電極を兼ねることもできる。
以下、本発明の容量型電気機械変換装置の実施形態を図を用いて説明する。
(第1の実施形態)
図1(a-1)、(a-2)、(a-3)に、第1の実施形態に係る静電容量型電気機械変換装置であるCMUTを示す。図1(a-1)に上面図、図1(a-2)にX-X’断面図、図1(a-3)にY-Y’断面図を示す。101は振動膜、102は第1の電極である上部電極、103は第1の領域の上部電極、104は第2の領域の上部電極、105は支持部、106は間隙、107は第2の電極である下部電極、108は基板である。本実施形態では、振動膜101上に上部電極102が形成され、CMUT内の上部電極102は全て電気的に接続されている。振動膜101は、基板108上に形成された支持部105により支持されており、第1の領域の上部電極103と共に振動する様になっている。振動膜101上の上部電極103と、間隙106を介して対向する位置に、下部電極107が基板108上に形成されている。
以下の説明では、下部に支持部105がない領域の上部電極102を、第1の領域の上部電極103と呼ぶ(前述の可動な第1の電極の領域に対応する)。ここで、下部に支持部105がない領域は、超音波の送受信時に振動膜101が振動する領域である。すなわち、下部電極107に対して振動膜101と上部電極103が可動な領域である。また、下部に支持部105がある領域の上部電極102は、第2の領域の上部電極104と呼ぶ(前述の不動な第1の電極の領域に対応する)。ここで、下部に支持部105がある領域は、超音波の送受信時に実際には振動しない領域である。すなわち、下部電極107に対して上部電極104が不動な領域である。本実施形態では、第1の領域の上部電極103の単位面積あたりの抵抗率と、第2の領域の上部電極104の単位面積あたりの抵抗率が異なっている。加えて、下部に支持部がない領域の上部電極103の厚さが、下部に支持部がある領域の上部電極104の厚さ以下である。これらの関係は、第2の領域の上部電極104の単位面積あたりの抵抗率が、第1の領域の上部電極103の単位面積あたりの抵抗率より低くなる様に設定することが望ましい。CMUTは、周辺部より、上部電極102へ所望の電位が印加される構成になっている。前述した様に、CMUTは小さなセルと呼ばれる構造が複数集まって構成されており、CMUT面内は支持部105によって細かく区切られている。そのため、一般に、第1の領域の上部電極103で発生する配線抵抗は、第2の領域の上部電極104で発生する配線抵抗より小さい。従って、支持部105上の上部電極102、すなわち第2の領域の上部電極104の抵抗成分を低減することで、CMUT全体の電位分布を容易に低減することができる。
本実施形態では、第1の領域の上部電極103の単位面積あたりの抵抗率と、第2の領域の上部電極104の単位面積あたりの抵抗率とを異ならせる方法として、上部電極102の厚さ設定を用いる。具体的には、第1の領域の上部電極103の厚さを、第2の領域の上部電極104の厚さより小さくする。ここでは、第1の領域の上部電極103と第2の領域の上部電極103は、同一の金属により構成されている。そこで、上記の如き厚さ設定を行う。本実施形態では、金属の材料にアルミニウムを用いるが、他の金属も同様に用いることができる。
CMUTの振動特性は、振動膜101の持つバネ定数と、第1の領域の上部電極104の持つバネ定数により決まる。具体的には、円形の振動膜のバネ定数kは、以下の式で表すことができる。
k=(16π*Y0*tn3)/((1-ρ2)*a2)
ここでY0はヤング率、ρは密度、aは半径、tnは厚さである。従って、上部電極102が振動膜101の振動特性に影響を与え難くするために、第1の領域の上部電極103の持つバネ定数が、振動膜101が持つバネ定数より小さな値になる様に、上部電極103の厚さが設定される。一方、支持部105上の振動膜101や上部電極102は、振動膜101が振動を行う際にも、殆ど固定されたまま動かない。そのため、支持部105上の振動膜101や上部電極104は、CMUTの振動特性に大きな影響を与えない。よって、支持部105上の上部電極102、すなわち第2の領域の上部電極104の厚さを大きくしても、CMUTの振動特性に影響を与えない。
また、第2の領域の上部電極104を厚くすることで、全体の上部電極102を同じ材料を用いて形成しても、支持部105上の上部電極102(第2の領域の上部電極104)の抵抗率を厚さに比例して下げられる。そのため、電位が印加される上部電極102の周辺部からの配線抵抗を、効果的に低減することができる。
本実施形態のCMUTは、MEMS技術を用いて作製することができる。上部電極102以外のCMUTの部分を形成した後、上部電極を全面に同じ厚さ(第2の領域の上部電極104と同じ厚さ)で形成し、第1の領域の上部電極103を、エッチングにより一様の深さ除去して作製する。また別の方法としては、上部電極102以外のCMUTの部分を形成した後、上部電極を全面に同じ厚さ(第1の領域の上部電極103と同じ厚さ)で形成し、第1の領域をレジスト等で保護する。そして、第2の領域の上部電極104のみが所望の厚さになるまで、メッキやリフトオフなどの手法を用いて電極を形成する。
本実施形態の構成によれば、振動膜101上の上部電極102(第1の領域の上部電極103)を厚くする必要がなく、第1の電極である上部電極面内の電位分布を低減することができる。そのため、上部電極での電位分布と切り離して、CMUTの振動特性の設計を行うことができ、柔軟に設計できる。従って、超音波の送受信特性に優れ、且つばらつきが少ない静電容量型電気機械変換装置を提供できる。また、上部電極の厚さを変える構成にすることにより、上部電極に同一の金属材料を用い、従来のトランスデューサの構成や作製方法を大きく変えることなく、簡易な構成で所望の静電容量型電気機械変換装置を実現できる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態を、図1(a-2)と図1(a-3)の断面図に夫々相当する図1(b-1)、(b-2)を用いて説明する。第2の実施形態は、第2の領域の上部電極104の構成が異なる。それ以外は、第1の実施形態と同じである。本実施形態では、第1の領域の上部電極103の単位面積あたりの抵抗率と、第2の領域の上部電極104の単位面積あたりの抵抗率を異ならせる方法として、第1の領域と第2の領域で異なる電極材料を用いる。
図1(b-1)、(b-2)において、第1の領域の上部電極103は、第1の電極材料201のみで構成され、第2の領域の上部電極104は、第2の電極材料202のみで構成されている。本実施形態では、第1の電極材料201にアルミニウム、第2の電極材料に銅を用いるが、他の金属も同様に用いることができる。本実施形態の構成によると、第1の領域と第2の領域で上部電極102の電極材料が異なるため、第1の領域では、CMUTの振動特性と電気特性を考慮して第1の電極材料201(ここではアルミニウム)を選択する。一方、第2の領域では、CMUTの振動特性を考慮する必要はなく電気特性のみを考慮して第2の電極材料202(ここでは銅)を選択できる。特に、第2の領域の上部電極104は、第2の電極材料202のみで構成されるため、配線の設計の制約が少なく、最適な配線抵抗を提供することができる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態を、図1(a-2)と図1(a-3)の断面図に夫々相当する図2(a-1)、(a-2)を用いて説明する。第3の実施形態は、第2の領域の上部電極104の構成が異なる。それ以外は、第1の実施形態と同じである。本実施形態では、第1の領域の上部電極103の単位面積あたりの抵抗率と、第2の領域の上部電極104の単位面積あたりの抵抗率を異ならせる方法として、異なる電極材料を積層して用いる。
図2(a-1)、(a-2)において、201は第1の電極材料、202は第2の電極材料である。本実施形態では、第1の領域の上部電極103は、第1の電極材料201のみで構成されている。他方、第2の領域の上部電極104は、第1の電極材料201と第2の電極材料202が積層された構造となっている。本実施形態では、第1の電極材料201にアルミニウム、第2の電極材料202に銅を用いるが、他の金属も同様に用いられる。
本実施形態の構成によって、支持部105上の上部電極102(第2の領域の上部電極104)を、2種類の電極材料の配線抵抗が並列に接続されたものと見なすことができる。そのため、第2の領域の上部電極104での配線抵抗を、効果的に低減できる。こうした構成を用いることで、振動膜101上の上部電極102(第1の領域の上部電極103)の厚くする必要がなく、電位分布を低減することができる。その上、第2の電極材料202は振動に関与しないので、その機械的な特性を考慮する必要はなく抵抗率の電気特性のみを考慮して、第2の電極材料202を選択することができる。よって、第2の領域の上部電極104の配線抵抗を、より効果的に低減することができる。
本実施形態のCMUTは、MEMS技術を用いて、以下の方法で作製することができる。まず、上部電極102以外のCMUTの部分を形成した後、上部電極として第1の電極材料201を、全面に同じ厚さ(第1の領域の上部電極103と同じ厚さ)で形成する。次に、第1の電極材料201の上に、第2の電極材料202を形成し、第1の電極材料201と第2の電極材料202の厚さの合計が、第2の領域の上部電極104と同じ厚さになる様にする。その後、第1の領域に形成されている第2の電極材料202を、これのみを溶かし第1の電極材料201はエッチングざれにくいエッチング手法で、除去する。これにより、第1の領域の上部電極103の厚さを、第1の電極材料201を形成した時の厚さの制御性により、決めることが出来るため、CMUTの振動特性のばらつきを低減し易くなる。
また、以下の別の作製方法でも、実現することができる。まず、上部電極102以外のCMUTの部分を形成した後、上部電極として第1の電極材料201を、全面に同じ厚さ(第1の領域の上部電極103と同じ厚さ)で形成する。次に、第1の領域に形成した第1の電極材料201を、レジストなどにより保護する。そして、その上の全面に、第2の電極材料を、第1の電極材料201と第2の電極材料202の厚さの合計が、第2の領域の上部電極104と同じ厚さになるまで形成する。最後に、レジストとその上に形成された第2の電極材料202を除去し、第1の領域に第1の電極材料201のみが残る様にする。この一連の手法はリフトオフである。他方、レジストで保護した後、第2の領域のみに選択的に第2の電極材料202を形成するメッキ手法を用いて作製することもできる。
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態を、図1(a-2)と図1(a-3)の断面図に夫々相当する図2(b-1)、(b-2)を用いて説明する。第4の実施形態は、上部電極102の構成が一部異なる。それ以外は、第1から第3の何れかの実施形態と同じである。本実施形態では、第1の領域の上部電極103の上面と第2の領域の上部電極104の上面の高さが、上部電極103が撓んでいない状態において、ほぼ一致していることが特徴である。
図2(b-1)、(b-2)において、301は溝である。支持部105に溝301が設けられており、第2の領域の上部電極104が一部、支持部105の溝301内に充填されている。また、第1の領域の上部電極103の上面と第2の領域の上部電極104の上面との高さがほぼ一致している。支持部105内に溝301を設けることで、第2の領域の上部電極104の配線抵抗を低減しつつ、上部電極102の高さを全面的にほぼ一致させられる。これにより、送受信する超音波に対して上部電極102の凹凸が影響して送受信特性の劣化が問題となりそうな場合に、その問題の発生を防ぐことができる。
本実施形態の構成によると、上部電極102の高さがほぼ一致している。従って、送受信する超音波に影響を与えることなく、且つ振動膜101上の上部電極102(第1の領域の上部電極103)を厚くする必要なく、第1の電極である上部電極面内の電位分布を低減することができる。
101…振動膜、102…上部電極(第1の電極)、103…第1の領域の上部電極(第2の電極に対して可動な領域の第1の電極)、104…第2の領域の上部電極(第2の電極に対して不動な領域の第1の電極)、105…支持部、106…間隙、107…下部電極(第2の電極)

Claims (8)

  1. 第1の電極と、間隙を介して前記第1の電極と対向して配置された第2の電極と、を有し、
    前記第1及び第2の電極間に変調する静電引力を発生させることにより前記第1の電極を振動させて弾性波を送信する送信動作と、弾性波を受けて前記第1の電極が振動することによる前記第1及び第2の電極間の容量の変化を検出する受信動作との少なくとも一方を行う静電容量型電気機械変換装置であって、
    前記第1の電極の単位面積あたりの抵抗率が、前記第2の電極に対して可動な領域と前記第2の電極に対して不動な領域とにおいて異なっており、
    前記可動な領域の第1の電極の厚さが、前記不動な領域の第1の電極の厚さ以下であることを特徴とする静電容量型電気機械変換装置。
  2. 前記抵抗率が、前記可動な領域より、前記不動な領域において小さいことを特徴とする請求項1に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  3. 前記第1の電極は、支持部で支持された振動膜上に形成され、
    前記第1の電極の下部に前記支持部がない領域の第1の電極が持つバネ定数が、前記振動膜の持つバネ定数より小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  4. 前記可動な領域と前記不動な領域とで、第1の電極の電極材料が同じであり、
    前記可動な領域の第1の電極の厚さが、前記不動な領域の第1の電極の厚さより薄いことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  5. 前記不動な領域において、前記可動な領域の第1の電極の電極材料と異なる電極材料を積層して第1の電極が構成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  6. 前記可動な領域と前記不動な領域とで、第1の電極の電極材料が異なっていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  7. 前記可動な領域と前記不動な領域とで、前記可動な領域の第1の電極が撓んでいない状態において、第1の電極の高さが一致していることを特徴する請求項1から6の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
  8. 前記不動な領域で、第1の電極の一部が、第1の電極を支持するための支持部が有する溝に充填されていることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
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