JP2017098781A - 圧電素子、超音波プローブ、超音波測定装置及び圧電素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコンウエハーの異方性に起因する性能のバラツキが抑制された圧電素子を提供すること。【解決手段】圧電体と、面方位が［１１１］の単結晶シリコンを振動用素材とする振動板５３と、を積層した圧電素子とする。また、面方位が［１１１］の単結晶シリコンウエハーから、振動板５３に用いる振動用素材を切り出す工程と、圧電体と前記振動板とを積層する工程と、を含む圧電素子の製造方法とする。【選択図】図１１
Description
本発明は、圧電素子等に関する。
圧電素子を超音波の送信用及び受信用のトランスデューサーとして利用する超音波プローブ及び超音波測定装置を用いた生体情報の測定として、血管機能の評価や血管疾患の判断が行われている。例えば、特許文献１には、受信した超音波の振幅情報を処理することによって得られる生体組織からの反射波信号強度と、受信した超音波の位相情報を処理することによって得られる生体組織の移動速度とを用いて、血管壁を自動的に検出する超音波プローブ及び超音波測定装置が開示されている。
こうした超音波プローブ及び超音波測定装置に使用される圧電素子は、例えば特許文献２に開示されるように、薄膜上の振動板の上に圧電体を積層して作成される。
さて、一般的な圧電素子の製造に使用される単結晶シリコンウエハーには、面方位に応じてヤング率やポアソン比に異方性があることが分かった。しかし、従来の圧電素子の製造方法においては、異方性を特に重視せず、単純に単結晶シリコンウエハーに多数の素子を敷き詰めるようにしてパターニングして切り出して作成していた。つまり、同じシリコンウエハーから切り出して作成された圧電素子であっても、各圧電素子の振動特性が異なり、ひいては圧電素子の性能にバラツキが生じ得た。
本発明は、こうした背景のもとに考案されたものであり、その目的とするところはシリコンウエハーの異方性に起因する性能のバラツキが抑制された圧電素子を提供することである。
以上の課題を解決するための第１の発明は、圧電体と、面方位が［１１１］の単結晶シリコンを振動用素材とする振動板と、を積層した圧電素子である。
面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーのヤング率とポアソン比は偏角による異方性が無く、ヤング率やポアソン比は等方性を有する。よって、第１の発明によれば、面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーを振動用素材として振動板を作成すれば、作成される圧電素子は、シリコンウエハーの何処にパターニングされていたとしても、シリコンウエハーの異方性に起因する性能バラツキを従来よりも大幅に低減できる。
第２の発明は、第１の発明の圧電素子を、超音波の送信用に備えた超音波プローブである。
第３の発明は、第１の発明の圧電素子を、超音波の受信用に備えた超音波プローブである。
第４の発明は、第１の発明の圧電素子を、超音波の送受信用に備えた超音波プローブである。
第２〜第４の何れかの発明によれば、シリコンウエハーの異方性に起因する圧電素子の性能バラツキが抑制された超音波プローブを実現できる。
第５の発明は、第２〜第４の何れかの発明の超音波プローブを備えた超音波測定装置である。
第５の発明によれば、シリコンウエハーの弾性率の異方性に起因する圧電素子の性能バラツキが抑制された超音波測定装置を実現できる。
第６の発明は、面方位が［１１１］の単結晶シリコンウエハーから、振動板に用いる振動用素材を切り出す工程と、圧電体と前記振動板とを積層する工程と、を含む圧電素子の製造方法である。
第６の発明によれば、第１の発明と同様の作用効果が得られる圧電素子を製造できる。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態における超音波測定装置１０のシステム構成例を示す図である。
超音波測定装置１０は、超音波を被測定者２へ送信して反射波を測定することにより被測定者２の生体情報を測定する装置である。本実施形態では、生体情報の１つとして頸動脈３のＩＭＴ（Intima Media Thickness：血管の内膜中膜複合体厚）といった血管機能情報を測定する。勿論、ＩＭＴ以外にも、血管径や、血管径から血圧を推定する、血管径の変化から脈拍を算出するといった別の血管機能情報や生体情報を測定することとしてもよい。また、測定対象は人間に限らない。
図１は、本実施形態における超音波測定装置１０のシステム構成例を示す図である。
超音波測定装置１０は、超音波を被測定者２へ送信して反射波を測定することにより被測定者２の生体情報を測定する装置である。本実施形態では、生体情報の１つとして頸動脈３のＩＭＴ（Intima Media Thickness：血管の内膜中膜複合体厚）といった血管機能情報を測定する。勿論、ＩＭＴ以外にも、血管径や、血管径から血圧を推定する、血管径の変化から脈拍を算出するといった別の血管機能情報や生体情報を測定することとしてもよい。また、測定対象は人間に限らない。
超音波測定装置１０は、測定制御装置２０と、貼り付け型の超音波プローブ４０とを有する。
測定制御装置２０は、携帯型のコンピューターであって、測定結果や操作情報を画像表示するための手段及び操作入力するための手段を兼ねるタッチパネル２２と、超音波プローブ４０との間で信号の送受信を制御するインターフェース回路２４と、制御基板３０と、を備える。その他、図示されない内臓バッテリーなどを適宜備える。
測定制御装置２０は、携帯型のコンピューターであって、測定結果や操作情報を画像表示するための手段及び操作入力するための手段を兼ねるタッチパネル２２と、超音波プローブ４０との間で信号の送受信を制御するインターフェース回路２４と、制御基板３０と、を備える。その他、図示されない内臓バッテリーなどを適宜備える。
制御基板３０には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１や、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種集積回路の他、ＩＣメモリー３２と、インターフェース回路２４を介して外部装置（本実施形態では超音波プローブ４０）とのデータ通信を実現する通信ＩＣ３３とが搭載されている。制御基板３０は、ＣＰＵ３１等でＩＣメモリー３２に記憶されている制御プログラムを実行することにより、超音波測定をはじめとする本実施形態に係る各種機能を実現する。
すなわち、超音波測定装置１０は、制御基板３０の演算処理等により、被測定者２に貼り付けられた超音波プローブ４０から生体内組織へ向けて超音波ビームを送信・照射し反射波を受信する。そして反射波の受信信号を増幅・信号処理することにより、被測定者２の生体内構造に係る反射波データを生成することができる。そして、反射波データに基づいて各種生体情報の連続的な計測とデータ記憶とを実現する。
図２は、本実施形態における超音波プローブ４０の構成例を示す図であって、被測定者２への貼り付け面（超音波送受信面）側から見た図である。
超音波プローブ４０は、貼り付け面側に、被測定者２の皮膚に超音波プローブ４０を着脱自在に粘着させる粘着部４２と、超音波センサー４４とを有する。
超音波プローブ４０は、貼り付け面側に、被測定者２の皮膚に超音波プローブ４０を着脱自在に粘着させる粘着部４２と、超音波センサー４４とを有する。
超音波センサー４４は、超音波送受信面の長辺方向と短辺方向に複数の超音波トランスデューサー４６を２次元配列した集合体である。超音波プローブ４０は、超音波センサー４４の長辺が頸動脈３の短軸方向に横断する相対姿勢で被測定者２の皮膚面に貼り付けられる。
１つの超音波トランスデューサー４６は、圧電素子５０を含む。圧電素子５０は、圧電体に電圧が印加されると物理的（機械的）な運動を生み出す素子であり、且つ、圧電体が受けた外力（本実施形態の場合は超音波）に応じて電圧を生み出す素子である。すなわち、本実施形態では圧電素子５０が超音波の送信と受信を兼ねる。
図３は、本実施形態における圧電素子５０の構成例を示す上面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ断面図である。図５は、図３におけるＢ−Ｂ断面図である。
本実施形態の圧電素子５０は、圧電体に電圧が印加されると物理的（機械的）な運動を生み出す素子である。より具体的には、電圧に応じて伸縮する素子である。本実施形態の圧電素子５０は、空洞部５１が設けられた（空洞部５１が開けられた）上面視矩形状の支持基板５２の上面に、薄膜状のケイ素層５７が接合されている。なお、支持基板５２の上面にケイ素層５７を形成してから空洞部５１を形成することとしてもよい。
ケイ素層５７は、空洞部５１を渡る両持ち梁構造（両端固定支持構造）の振動板５３を有する。すなわち、ケイ素層５７は、空洞部５１を覆うように接合されるが、上面視矩形の空洞部５１の長手方向の辺縁部に沿って２本のスリット５４が設けられる。この２本のスリット５４が、丁度、空洞部５１を長手方向に渡る薄板の橋梁構造、すなわち薄板の両持ち梁を作り出す。
そして、振動板５３の上面には圧電変換部５５が積層されている。本実施形態の圧電変換部５５は、電気エネルギーと運動エネルギーとの間でエネルギー変換する圧電体５５１を、上部電極５５２と下部電極５５３で挟んで構成される。本実施形態では圧電体５５１を、圧電セラミック、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とするが、その他の圧電材料も適宜選択可能である。
上部電極５５２と下部電極５５３との間に交流電圧を印加すると、圧電体５５１及び振動板５３が高伸縮方向（本実施形態の構成では振動板５３の長手方向）へ周期的に伸縮する。つまり、圧電変換部５５及び振動板５３が振動する。これにより、圧電素子５０は、その上方（図３に向かって手前側、図４及び図５に向かって上側）或いは下方（図３に向かって裏面側、図４及び図５に向かって下側）へ超音波を送出する。
圧電素子５０から発せられた超音波は被測定者２の体内で反射して反射波となり、圧電素子５０がその上方或いは下方からこれを受ける。反射波を受けると、一体に形成された圧電変換部５５及び振動板５３が撓み、その撓み量に応じた電荷が圧電体５５１内に発生し、上部電極５５２と下部電極５５３との間に電圧が生じる。超音波測定装置１０は、この電圧を測定制御装置２０で演算処理することで生体情報を算出する。
さて、超音波を送信する際の圧電素子５０の変換効率は、圧電変換部５５を除けば振動板５３の弾性特性にかかってくる。同様に、超音波を受信した際の受信感度も振動板５３の弾性特性にかかってくる。従来、超音波の送信や受信に用いられる圧電素子は、面方位［００１］の単結晶シリコンウエハーに対してできるだけ多くの圧電素子を切り出せるようにパターニングして切り出していたため、どのようにパターニングされたかにより、振動板の弾性特性に違いが生じ、弾性特性の違いが圧電素子の性能のバラツキの要因となっていた。
具体的に述べると、図６は、単結晶シリコンの［００１］面内におけるヤング率の異方性の例を示すグラフであって、図６に向かって手前方向が面方位［００１］となり、図６に向かって下側が面方位［１１０］となるように記している。図６に示すように、単結晶シリコンの［００１］面内におけるヤング率は、四辺の中央がやや内側に凹んだ菱形状の異方性を有している。従って、面方位［００１］の単結晶シリコンシリコンウエハーに、複数の圧電素子５０を水平垂直に配列してパターニングすると、その圧電素子５０の振動板５３の高伸縮方向（本実施形態では振動板５３の長手方向）がどの方位に向くかにより性能が変わりバラツキを生む。
例えば、相対的にヤング率が低い低ヤング率方位［１００］に振動板５３の高伸縮方向（本実施形態では振動板５３の長手方向）が沿った圧電素子は、高ヤング率方位［−１１０］に振動板５３の高伸縮方向が沿った圧電素子よりも、振動板５３が撓み易いので、圧電素子５０に同じ電圧を印加してもより強い超音波を発することになる。
また、図７は、単結晶シリコンの［００１］面内におけるポアソン比の異方性の例を示すグラフであって、図７に向かって手前方向が面方位［００１］となり、図７に向かって下側が面方位［１１０］となるように記している。図７に示すように、単結晶シリコンの［００１］面内におけるポアソン比は、四つ葉状の異方性を有している。従って、面方位［００１］の単結晶シリコンシリコンウエハーに、複数の圧電素子５０を水平垂直に配列してパターニングすると、その圧電素子５０の振動板５３の高伸縮方向がどの方位に向くかにより性能が変わりバラツキを生む。
例えば、相対的にポアソン比が低い低ポアソン比方位［−１１０］に振動板５３の高伸縮方向が沿った圧電素子は、高ポアソン比方位［１００］に振動板５３の高伸縮方向が沿った圧電素子よりも、いわばピンと張った状態になり、超音波を受信した場合の受信感度が高くなる。
そこで、本実施形態ではこうしたバラツキを抑制するために、圧電素子５０を偏角によるヤング率やポアソン比に異方性のない面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーから作成することとする。
図８は、単結晶シリコンの［１１１］面内におけるヤング率の等方性の例を示すグラフであって、図８に向かって手前方向が面方位［１１１］となり、図８に向かって下側が面方位［−１１０］となるように記している。また図９は、単結晶シリコンの［１１１］面内におけるポアソン比の等方性の例を示すグラフであって、図９に向かって手前方向が面方位［１１１］となり、図９に向かって下側が面方位［−１１０］となるように記している。
図８及び図９に示すように、面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーには、偏角によるヤング率やポアソン比に異方性がない。すなわち、どのように圧電素子５０をパターニングしても、シリコンウエハーの異方性に起因する性能のバラツキを抑制できる。
図１０は、本実施形態における圧電素子５０の製造工程を説明するためのフローチャートである。本実施形態における圧電素子５０の製造工程は、まず、単結晶シリコンインゴットを、ヤング率とポアソン比の異方性が生じない（換言すると、ヤング率とポアソン比に代表される弾性特性が等方性の）［１１１］面方位でスライスすることでシリコンウエハー７を作成する（ステップＳ６）。なお、単結晶シリコンインゴットからスライスしてシリコンウエハー７を作成するのではなく、［１１１］面方位のシリコンウエハー７を別途購入する等して用意することとしてもよい。
次いで、当該シリコンウエハー７に圧電素子５０をパターニングして振動板５３とする素材を含む圧電素子５０のケイ素層５７を切り出す（ステップＳ８）。そして、上部電極５５２及び下部電極５５３を含む、圧電体５５１と振動板５３とを積層して圧電素子５０を作成する（ステップＳ１０）。
図１１は、本実施形態における［１１１］面方位のシリコンウエハー７における、圧電素子５０のパターニング、より具体的には振動板５３を含むケイ素層５７のパターニングの位置関係を説明するための概念図である。［１１１］面方位のシリコンウエハー７には、所定方位に対応する縁部にオリエンテーションフラット７１が形成されている。このため、当該オリエンテーションフラット７１を目印として、１つ１つの圧電素子５０のケイ素層５７をパターニングすることができる。但し、［１１１］面方位のシリコンウエハー７は、異方性が無い（換言すると等方性である）ため、圧電素子５０のケイ素層５７それぞれのパターニングの向きは任意であってよい。どのように切り出したとしても、圧電素子５０としての弾性特性を同等にすることができる。
以上、本実施形態によれば、シリコンウエハーの弾性特性の異方性に起因する性能のバラツキが抑制された圧電素子５０、当該圧電素子を用いた超音波プローブ４０、当該圧電素子を用いた超音波測定装置１０を実現できる。
なお、本実施形態の圧電素子５０の積層構造であるが、上面側に更に薄膜シート層を設ける構成を採用することとしてもよい。
［第２実施形態］
次に、本発明を適用した第２実施形態について述べる。
本実施形態は、基本的に第１実施形態と同様にして実現されるが、圧電素子の構造が異なる。なお、以降では主に第１実施形態との差異について述べることとし、同様の構成要素には同じ符号を付与して説明は省略するものとする。
次に、本発明を適用した第２実施形態について述べる。
本実施形態は、基本的に第１実施形態と同様にして実現されるが、圧電素子の構造が異なる。なお、以降では主に第１実施形態との差異について述べることとし、同様の構成要素には同じ符号を付与して説明は省略するものとする。
図１２は、本実施形態における圧電素子５０Ｃの構成例を示す上面図である。図１３は、図１２のＣ−Ｃ断面図である。図１４は、図１２のＤ−Ｄ断面図である。本実施形態の圧電素子５０Ｃでは、振動板５３が空洞部５１に対して延設された薄板の片持ち梁構造を成している。
振動板５３を含むケイ素層５７のシリコンウエハー７のパターニングは、第１実施形態と同様である。
〔変形例〕
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、適宜構成要素の追加・省略・変更をすることができる。
以上、本発明を適用した実施形態について説明したが、適宜構成要素の追加・省略・変更をすることができる。
［その１］
例えば、上記実施形態では振動板５３をケイ素の単層構造としたが、図１５の振動板長手方向断面図（図５に相当）に示すように、圧電変換部５５との間に酸化ジルコニア層５８や二酸化ケイ素層５９を有した複層構造としてもよい。
例えば、上記実施形態では振動板５３をケイ素の単層構造としたが、図１５の振動板長手方向断面図（図５に相当）に示すように、圧電変換部５５との間に酸化ジルコニア層５８や二酸化ケイ素層５９を有した複層構造としてもよい。
［その２］
また、上記実施形態では支持基板５２とケイ素層５７とを別材としたが、図１６の振動板長手方向断面図に示すように、支持基板５２とケイ素層５７とを同一材とし、空洞部５１をエッチング等により作成することとしてもよい。
また、上記実施形態では支持基板５２とケイ素層５７とを別材としたが、図１６の振動板長手方向断面図に示すように、支持基板５２とケイ素層５７とを同一材とし、空洞部５１をエッチング等により作成することとしてもよい。
［その３］
また、上記実施形態では振動板５３の周囲にスリット５４を設けたが、図１７の断面図（図４相当）に示すように、スリット５４を省略した構成としてもよい。例えば、振動板５３を上面視矩形とするならば、その四片を支持基板５２で支持した支持構造と呼ぶことができる。
また、上記実施形態では振動板５３の周囲にスリット５４を設けたが、図１７の断面図（図４相当）に示すように、スリット５４を省略した構成としてもよい。例えば、振動板５３を上面視矩形とするならば、その四片を支持基板５２で支持した支持構造と呼ぶことができる。
［その４］
また、上記実施形態では、各圧電素子５０が、超音波の送信用と受信用とを兼ねる構成として説明したが、例えば、図１８に示すように、１つの超音波トランスデューサー４６に、超音波の送信用の第１圧電素子５０Ａと、受信用の第２圧電素子５０Ｂとを別々に設けた構成も可能である。その場合、その何れか一方又は両方に上記実施形態の圧電素子５０を採用することができる。
また、上記実施形態では、各圧電素子５０が、超音波の送信用と受信用とを兼ねる構成として説明したが、例えば、図１８に示すように、１つの超音波トランスデューサー４６に、超音波の送信用の第１圧電素子５０Ａと、受信用の第２圧電素子５０Ｂとを別々に設けた構成も可能である。その場合、その何れか一方又は両方に上記実施形態の圧電素子５０を採用することができる。
［その５］
また、上記実施形態では、振動板５３の素材を単結晶シリコンとしたが、偏角方向にヤング率及びポアソン比の等方性を有する結晶方位面で薄板を作成できる素材であれば、他の物質でも構わない。例えば、ガリウムヒ素などシリコンと同じ炭素属の他元素（第１４属元素）の素材なども利用可能である。
また、上記実施形態では、振動板５３の素材を単結晶シリコンとしたが、偏角方向にヤング率及びポアソン比の等方性を有する結晶方位面で薄板を作成できる素材であれば、他の物質でも構わない。例えば、ガリウムヒ素などシリコンと同じ炭素属の他元素（第１４属元素）の素材なども利用可能である。
［その６］
また、上記実施形態では、空洞部５１の下面側を開放した構成としているが、図１９に示すように、適宜バックプレート５８を設けて、空洞部５１を閉空間として有する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、空洞部５１の下面側を開放した構成としているが、図１９に示すように、適宜バックプレート５８を設けて、空洞部５１を閉空間として有する構成としてもよい。
当該構成における圧電素子５０は、例えば、ケイ素層５７を面方位［１１１］の単結晶シリコンで作成し、それとは異なる面方位の単結晶シリコンで支持基板５２を作成する場合、図２０に示すような異方性エッチングを利用したＳＯＩ（Silicon on Insulator）プロセスにより実現できる。
具体的には、支持基板５２となる単結晶シリコンウエハー（例えば、面方位［１１０］の単結晶シリコンウエハー）を作成して表面酸化処理を行う（ステップＳ２０）。
次いで、ヤング率とポアソン比に異方性が無い面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーを作成して、先に作成した支持基板板５２となる単結晶シリコンウエハーの上面側に接合させ（ステップＳ２２）、面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーを研磨・薄化してケイ素層５７を作成する（ステップＳ２４）。
次いで、ヤング率とポアソン比に異方性が無い面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーを作成して、先に作成した支持基板板５２となる単結晶シリコンウエハーの上面側に接合させ（ステップＳ２２）、面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーを研磨・薄化してケイ素層５７を作成する（ステップＳ２４）。
次いで、面方位［１１１］の単結晶シリコンウエハーの上に圧電素子５５を形成し（ステップＳ２６）、支持基板５２となる単結晶シリコンウエハーを異方性エッチング（例えば、水酸化カリウムを用いたいわゆるＫＯＨエッチング）を施して空洞部５１を形成する（ステップＳ２８）。そして、バッキングプレート５８の形成処理をした後に（ステップＳ２８）、切り出しを行う（ステップＳ３０）。
なお、ステップＳ２８を省略すれば、本明細書で説明した他の構成の圧電素子の作成においても当該製造過程を適宜応用できる。
２…被測定者、３…頸動脈、７…シリコンウエハー、１０…超音波測定装置、２０…測定制御装置、２２…タッチパネル、２４…インターフェース回路、３０…制御基板、３２…ＩＣメモリー、３３…通信ＩＣ、４０…超音波プローブ、４２…粘着部、４４…超音波センサー、４６…超音波トランスデューサー、５０…１圧電素子、５１…空洞部、５２…支持基板、５３…振動板、５４…スリット、５５…圧電変換部、５５１…圧電体、５５２…上部電極、５５３…下部電極、５７…ケイ素層、５８…酸化ジルコニア層、５９…二酸化ケイ素層、７１…オリエンテーションフラット
Claims (6)
- 圧電体と、
面方位が［１１１］の単結晶シリコンを振動用素材とする振動板と、
を積層した圧電素子。 - 請求項１に記載の圧電素子を、超音波の送信用に備えた超音波プローブ。
- 請求項１に記載の圧電素子を、超音波の受信用に備えた超音波プローブ。
- 請求項１に記載の圧電素子を、超音波の送受信用に備えた超音波プローブ。
- 請求項２〜４の何れか一項に記載の超音波プローブを備えた超音波測定装置。
- 面方位が［１１１］の単結晶シリコンウエハーから、振動板に用いる振動用素材を切り出す工程と、
圧電体と前記振動板とを積層する工程と、
を含む圧電素子の製造方法。
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