JP2021153293A - Electromechanical conversion element, ultrasonic transducer, ultrasonic probe, ultrasonic diagnostic device, and method for manufacturing electromechanical conversion element - Google Patents

Electromechanical conversion element, ultrasonic transducer, ultrasonic probe, ultrasonic diagnostic device, and method for manufacturing electromechanical conversion element Download PDF

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友一 安藤
修也 阿部
Shuya Abe
修也 阿部
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Osamu Machida
治 町田
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Abstract

To provide an electromechanical conversion element that has a high frequency and high resolution and can ensure appropriate sound pressure and reception sensitivity.SOLUTION: In an ultrasonic transducer having a plurality of piezoelectric elements 20, the piezoelectric elements each have a substrate 11, a first electrode 21, a piezoelectric material 22, a second electrode 23, and a gap part 30 that is formed on the substrate 11 on the opposite side of the piezoelectric material 22 across the first electrode 21, which are sequentially laminated. The width Cw of the gap part 30 and the width Pw of the piezoelectric material 22 seen from the direction of sequential lamination satisfy the conditional expression (1): 0.65≤Pw/Cw≤0.95.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、電気機械変換素子、超音波トランスデューサー、超音波探触子、超音波診断装置及び電気機械変換素子の製造方法に関する。 The present invention relates to an electromechanical conversion element, an ultrasonic transducer, an ultrasonic probe, an ultrasonic diagnostic apparatus, and a method for manufacturing an electromechanical conversion element.

薄膜を振動させて超音波の送受信を行うトランスデューサーは、医療用診断や産業用、車載用、マリーン向け検査・測定装置として応用がなされている。
特に医療用の超音波診断装置は、内部組織を簡易にリアルタイムで観察できるために広く使用されている。
このような超音波トランスデューサーに用いられる電気機械変換素子としては、従来はバルクと呼ばれるセラミックのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をダイシングして個片化したものが知られていたが、近年ではピエゾ素子を用いたPMUT(Piezoelectric Micro−Machined Ultrasonic Transducer)やCMUT(Capacitive Micro−Machined Ultrasonic Transducer)と呼ばれる半導体技術を用いたものが知られている(特許文献1、2等参照)。
Transducers that vibrate a thin film to transmit and receive ultrasonic waves are being applied as inspection / measurement devices for medical diagnosis, industrial use, in-vehicle use, and marine use.
In particular, medical ultrasonic diagnostic equipment is widely used because it allows easy real-time observation of internal tissues.
Conventionally, as an electromechanical conversion element used for such an ultrasonic transducer, a ceramic lead zirconate titanate (PZT) called bulk has been known to be die-divided into individual pieces, but in recent years. Documents using semiconductor technologies such as PMUTs (Piezoelectric Micro-Machined Ultrasonic Transducers) and CMUTs (Capacitive Micro-Machined Ultrasonic Transducers) using piezo elements are known.

特にPMUTを用いた場合には、微細加工により高解像度化や高周波数化を図ることの他、製造・構造が簡単で、比較的低電圧での動作が可能であること等から、小型・薄型、2Dアレイ化に適した技術として期待されている。 In particular, when PMUT is used, it is compact and thin because it can be manufactured and structured easily and can be operated at a relatively low voltage, in addition to achieving high resolution and high frequency by microfabrication. It is expected as a technology suitable for 2D array formation.

さて、このような小型化、薄型化、高周波数化を図るときには、当然のことながら超音波トランスデューサーを構成する1つ1つの振動部分である電気機械変換素子の大きさは出来るかぎり小さく高密度化することが好ましい。さらには、電気機械変換素子を構成する圧電素子も同様にできる限り小さく高密度化することが好ましい。
しかしながら、圧電素子の小型化は同時に振動時の音圧の低下や、受信感度の低下を招いてしまうことが分かっている。
そこで、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる電気機械変換素子の開発が望まれていた。
When trying to reduce the size, thickness, and frequency, the size of the electromechanical conversion element, which is each vibrating part of the ultrasonic transducer, is naturally as small and high as possible. It is preferable to make it. Further, it is preferable that the piezoelectric element constituting the electromechanical conversion element is also made as small as possible and has a high density.
However, it is known that the miniaturization of the piezoelectric element also causes a decrease in sound pressure during vibration and a decrease in reception sensitivity.
Therefore, it has been desired to develop an electromechanical conversion element capable of ensuring high frequency, high resolution, appropriate sound pressure and reception sensitivity.

このような課題を解決するため、本発明に係る電気機械変換素子では、順次積層された、基板と、第1の電極と、圧電体と、第2の電極と、前記第1電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、を備え、前記順次積層される方向からみた前記空隙部の幅:Cwと前記圧電体の幅:Pwとの比率が、条件式(1):0.65≦Pw/Cw≦0.95を満足することを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the electromechanical conversion element according to the present invention, the substrate, the first electrode, the piezoelectric body, the second electrode, and the first electrode, which are sequentially laminated, are sandwiched between them. The ratio of the width of the gap portion: Cw and the width of the piezoelectric body: Pw as viewed from the direction in which the piezoelectric body is sequentially laminated is a conditional expression. (1): Satisfying 0.65 ≦ Pw / Cw ≦ 0.95.

本発明によれば、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる。 According to the present invention, it is possible to secure high frequency, high resolution, appropriate sound pressure and reception sensitivity.

本発明に係る超音波診断装置の一形態の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of one form of the ultrasonic diagnostic apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波診断装置の制御部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the control part of the ultrasonic diagnostic apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る超音波診断装置の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of the ultrasonic diagnostic apparatus which concerns on this invention. 図1に示した超音波探触子の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the ultrasonic probe shown in FIG. 図4に示した超音波トランスデューサーの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic transducer shown in FIG. 図4に示した超音波トランスデューサーの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the ultrasonic transducer shown in FIG. 図4に示した圧電素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the piezoelectric element shown in FIG. 図4に示した超音波トランスデューサーの製造工程の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the ultrasonic transducer shown in FIG. 図7に示した超音波トランスデューサーの振動時の断面図である。It is sectional drawing at the time of vibration of the ultrasonic transducer shown in FIG. 図9に示した断面図の変曲点の拡大図である。It is an enlarged view of the inflection point of the cross-sectional view shown in FIG. 本発明に係る空隙部の周波数依存性を示す図である。It is a figure which shows the frequency dependence of the void part which concerns on this invention. 本発明に係る圧電体の形状・膜厚と出力される音圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the shape and film thickness of the piezoelectric body which concerns on this invention, and the output sound pressure. 本発明に係る圧電体の大きさと出力される音圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the size of the piezoelectric body which concerns on this invention, and the output sound pressure. 本発明に係る圧電体の大きさと受信感度の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the size of the piezoelectric body which concerns on this invention, and the receiving sensitivity. 本発明に係る上部電極の大きさと出力される音圧の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the size of the upper electrode and the output sound pressure which concerns on this invention. 本発明に係る上部電極の大きさと受信感度の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the size of the upper electrode and the receiving sensitivity which concerns on this invention. 本発明に係る上部電極の大きさと圧電素子容量の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the size of the upper electrode and the capacity of a piezoelectric element which concerns on this invention. 本発明に係る圧電体の膜厚と破壊耐圧の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the film thickness of the piezoelectric material which concerns on this invention, and the breakdown withstand voltage. 本発明に係る圧電体の膜厚と圧電素子容量の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the film thickness of the piezoelectric body which concerns on this invention, and the capacity of a piezoelectric element. 本発明に係る圧電体の構成の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the structure of the piezoelectric body which concerns on this invention. 図20に示した圧電体の構成の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the structure of the piezoelectric body shown in FIG. 本発明に係る圧電体の構成の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the structure of the piezoelectric body which concerns on this invention. 図22に示した圧電体における断面構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure in the piezoelectric body shown in FIG. 本発明に係る電気機械変換素子の製造方法の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the manufacturing method of the electromechanical conversion element which concerns on this invention.

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて順次説明する。実施形態において、同一機能や同一構成を有するものには同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。図面は一部構成の理解を助けるために部分的に省略あるいは簡素化して記載する場合もある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be sequentially described with reference to the drawings. In the embodiment, the same functions and the same configurations are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. Drawings may be partially omitted or simplified to aid understanding of some configurations.

本発明に係る超音波診断装置10は、超音波を測定対象物9に向けて発振するとともに、測定対象物9に反射した超音波の振動を検知する超音波探触子1と、超音波探触子1からの信号を可視化して表示するための表示部61と、操作部62と、超音波探触子1の制御を行う端末たる制御部63と、を有している。 The ultrasonic diagnostic apparatus 10 according to the present invention has an ultrasonic probe 1 that oscillates ultrasonic waves toward the measurement object 9 and detects the vibration of the ultrasonic waves reflected on the measurement object 9, and an ultrasonic probe. It has a display unit 61 for visualizing and displaying a signal from the tentacle 1, an operation unit 62, and a control unit 63 as a terminal for controlling the ultrasonic probe 1.

制御部63は、図2に示すように、超音波信号を発生させるためのパルス状の電気信号を発生させる超音波パルス発生部64と、超音波探触子1からの受信したエコー信号を電気信号に変換する変換部65と、エコー信号から2次元超音波画像や3次元超音波画像あるいは各種ドプラ画像を形成する超音波画像形成部66と、を有している。
なお、超音波パルス発生部64と変換部65とは例えば制御部63とは別体に設けた任意の超音波送受信機であっても良い。
As shown in FIG. 2, the control unit 63 electrifies the ultrasonic pulse generating unit 64 that generates a pulsed electric signal for generating the ultrasonic signal and the echo signal received from the ultrasonic probe 1. It has a conversion unit 65 that converts a signal, and an ultrasonic image forming unit 66 that forms a two-dimensional ultrasonic image, a three-dimensional ultrasonic image, or various Doppler images from an echo signal.
The ultrasonic pulse generation unit 64 and the conversion unit 65 may be any ultrasonic transmitter / receiver provided separately from the control unit 63, for example.

表示部61は、LCD(Liquid Crystal Display)やモニタ装置であって、超音波画像形成部66が形成した画像を表示する表示手段である。
操作部62は、作業者が測定対象物9について適切な診断を行えるようにパラメータ入力等を行うための入力手段であって、押しボタンやタッチパネル等を用いて良い。
The display unit 61 is an LCD (Liquid Crystal Display) or a monitoring device, and is a display means for displaying an image formed by the ultrasonic image forming unit 66.
The operation unit 62 is an input means for inputting parameters and the like so that the operator can appropriately diagnose the object 9 to be measured, and a push button, a touch panel, or the like may be used.

超音波探触子1は、図1に示すように、ケーブル等を介して制御部63と電気的に接続されており、超音波信号を人体あるいは物体である測定対象物9に向けて発信し、測定対象物9からエコーとして反射された超音波信号を受信する。
超音波診断装置10は、かかる超音波信号の送受信によって測定対象物9の内部を可視化して診断することができる。
あるいは、図3に示すように、端末50と、端末50とケーブルによって接続された超音波探触子1とを用いて診断するものであっても良い。
As shown in FIG. 1, the ultrasonic probe 1 is electrically connected to the control unit 63 via a cable or the like, and transmits an ultrasonic signal toward a measurement object 9 which is a human body or an object. , The ultrasonic signal reflected as an echo from the measurement object 9 is received.
The ultrasonic diagnostic apparatus 10 can visualize and diagnose the inside of the measurement object 9 by transmitting and receiving such an ultrasonic signal.
Alternatively, as shown in FIG. 3, the diagnosis may be made using the terminal 50 and the ultrasonic probe 1 connected to the terminal 50 by a cable.

超音波探触子1は、図4に示すように、支持基板である支持部3と、支持部3の上に形成された超音波トランスデューサーであるPMUTチップ2と、フレキシブル基板4と、配線5と、コネクタ7と、音響レンズ8と、を有している。
PMUTチップ2は、フレキシブル基板4と配線5を介して接続されており、コネクタ7から回路基板を介して制御部63へと接続される。
As shown in FIG. 4, the ultrasonic probe 1 includes a support portion 3 which is a support substrate, a PMUT chip 2 which is an ultrasonic transducer formed on the support portion 3, a flexible substrate 4, and wiring. It has a 5, a connector 7, and an acoustic lens 8.
The PMUT chip 2 is connected to the flexible substrate 4 via the wiring 5, and is connected from the connector 7 to the control unit 63 via the circuit board.

支持部3は、PMUTチップ2を保持するためのバッキングプレートとしての機能を有している。
音響レンズ8は、PMUTチップ2から発信された超音波を測定対象物9の測定位置にフォーカスするためのシリコン樹脂製の音響レンズである。
音響レンズ8は、中心部が周縁部よりも厚い所謂ドーム形状を有しており、測定対象物9と当接し密着することで、中心部と周縁部との厚みの差により、超音波を疑似的に屈折させて集束させる機能を備えている。なお音響レンズ8は、少なくとも一つの方向について超音波を集束させる機能を有していればよく、必ずしも超音波を1点に集束させるものでなくてもよい。
音響レンズ8とPMUTチップ2とは、接着剤6によって貼り合わされている。
The support portion 3 has a function as a backing plate for holding the PMUT chip 2.
The acoustic lens 8 is an acoustic lens made of silicon resin for focusing the ultrasonic waves transmitted from the PMUT chip 2 on the measurement position of the measurement object 9.
The acoustic lens 8 has a so-called dome shape in which the central portion is thicker than the peripheral portion, and by abutting and adhering to the measurement object 9, the ultrasonic wave is simulated by the difference in thickness between the central portion and the peripheral portion. It has a function of refracting and focusing. The acoustic lens 8 may have a function of focusing ultrasonic waves in at least one direction, and does not necessarily have to focus ultrasonic waves at one point.
The acoustic lens 8 and the PMUT chip 2 are bonded to each other by an adhesive 6.

PMUTチップ2は、図5に示すように、シリコン基板11と、シリコン基板11上に形成された酸化膜13と、Si層14と、酸化膜15と、を有している。
酸化膜13と、Si層14と、酸化膜15と、は後述するように圧電素子20に電圧が印加されることで振動板16として動作する。
本実施形態では、振動板16の上部に中央部が周縁部よりも厚い所謂ドーム状の圧電素子20が複数配列されている。
圧電素子20の振動板16を挟んで反対側、すなわち図5における下側には、破線で示したように空隙部30が形成されている。
なお、図5以降の説明において、シリコン基板11の表面に垂直な方向をZ軸、シリコン基板11上に形成された圧電素子20の並び方向をX軸、X軸とZ軸とに垂直な方向をY軸として説明する。
As shown in FIG. 5, the PMUT chip 2 has a silicon substrate 11, an oxide film 13 formed on the silicon substrate 11, a Si layer 14, and an oxide film 15.
The oxide film 13, the Si layer 14, and the oxide film 15 operate as a diaphragm 16 when a voltage is applied to the piezoelectric element 20 as described later.
In the present embodiment, a plurality of so-called dome-shaped piezoelectric elements 20 having a central portion thicker than the peripheral portion are arranged on the upper portion of the diaphragm 16.
A gap 30 is formed on the opposite side of the piezoelectric element 20 across the diaphragm 16, that is, on the lower side in FIG. 5, as shown by the broken line.
In the description after FIG. 5, the direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 11 is the Z-axis, the arrangement direction of the piezoelectric elements 20 formed on the silicon substrate 11 is the X-axis, and the direction perpendicular to the X-axis and the Z-axis. Will be described as the Y-axis.

PMUTチップ2は、Z軸上側から見たとき、図6に示すように、複数の圧電素子20がアレイ状に配列され、信号線29によってそれぞれの圧電素子20が電気的に接続されている。信号線29は、PMUTチップ2の端部において図3に示して既に述べたように配線5と接続されている。
信号線29は、X方向に延びており、後述する上部電極23と接続されている。
PMUTチップ2の圧電素子20が並べられた周囲には、図6に示すように基準電位となる接地線であるGNDライン28が設けられ、後述する下部電極21と接続されている。
When viewed from the upper side of the Z-axis, the PMUT chip 2 has a plurality of piezoelectric elements 20 arranged in an array, and the respective piezoelectric elements 20 are electrically connected by a signal line 29, as shown in FIG. The signal line 29 is connected to the wiring 5 at the end of the PMUT chip 2 as shown in FIG. 3 and already described.
The signal line 29 extends in the X direction and is connected to the upper electrode 23, which will be described later.
As shown in FIG. 6, a GND line 28, which is a ground line serving as a reference potential, is provided around the PMUT chip 2 in which the piezoelectric elements 20 are arranged, and is connected to a lower electrode 21 described later.

空隙部30は、シリコン基板11に開けられた円筒状の開口であり、図7に断面図を示すように、空隙部30の+Z側の上底面が酸化膜13である。
なお、図7は、1つの圧電素子20の中心軸とX軸とを含む平面で圧電素子20と基板11とを切ったときの断面図を示しており、空隙部30のX方向の幅:Cwである。
The gap portion 30 is a cylindrical opening opened in the silicon substrate 11, and as shown in the cross-sectional view in FIG. 7, the upper bottom surface of the gap portion 30 on the + Z side is an oxide film 13.
Note that FIG. 7 shows a cross-sectional view when the piezoelectric element 20 and the substrate 11 are cut on a plane including the central axis and the X axis of one piezoelectric element 20, and the width of the gap 30 in the X direction: Cw.

また、本実施形態では、圧電素子20は、図7から明らかなように、振動板16の上に形成された第1電極たる下部電極21と、ドーム状の圧電体22と、圧電体22の上面に形成された第2電極たる上部電極23と、を有している。
また、圧電素子20は、上部電極23の上部に設けられた絶縁層24と、信号線29と、信号線29を保護するための保護層25と、を有している。
なお、本実施形態においては、圧電体22はドーム状の構成としたが、かかる構成に限定されるものではない。
Further, in the present embodiment, as is clear from FIG. 7, the piezoelectric element 20 is composed of a lower electrode 21 which is a first electrode formed on the vibrating plate 16, a dome-shaped piezoelectric body 22, and a piezoelectric body 22. It has an upper electrode 23, which is a second electrode formed on the upper surface.
Further, the piezoelectric element 20 has an insulating layer 24 provided above the upper electrode 23, a signal line 29, and a protective layer 25 for protecting the signal line 29.
In the present embodiment, the piezoelectric body 22 has a dome-shaped structure, but the structure is not limited to this.

下部電極21は、本実施形態では白金(Pt)層であるが、かかる材料に限定されるものではなく、導電性の金属材料等を用いることができる。
上部電極23もまた、白金(Pt)層であって、かかる材料に限定されるものではなく、導電性の金属材料等を用いることができる。なお、上部電極23と下部電極21とは同一材料であることが望ましいが異なる材料を用いるとしても良い。
圧電体22は、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)製の圧電体材料であって、中心部22aが周縁部22bよりも厚く形成されたドーム状である。
圧電体22は、上部電極23と下部電極21との間に駆動電圧を印加することで機械的変形を生じ、駆動電圧の周期変動によって所定の周波数の振動を生じさせることで、当接した振動板16を振動させて超音波を生じさせる。
また、かかる超音波が圧電体22を振動させると、圧電体22が分極して上部電極23と下部電極21との間に電位差が生じ、振動を電気信号として検知する検知手段としても機能する。
このようにPMUTチップ2は、本実施形態においては上部電極23と下部電極21との間の電位差すなわち電気信号によって圧電体22を周期的に伸縮させて振動を生じる電気機械変換素子としての機能を有している。本実施形態においては特に、かかる振動によって超音波領域の音波を発振する超音波トランスデューサーとしての機能を有している。
The lower electrode 21 is a platinum (Pt) layer in the present embodiment, but is not limited to such a material, and a conductive metal material or the like can be used.
The upper electrode 23 is also a platinum (Pt) layer, and is not limited to such a material, and a conductive metal material or the like can be used. The upper electrode 23 and the lower electrode 21 are preferably made of the same material, but different materials may be used.
The piezoelectric body 22 is a piezoelectric material made of lead zirconate titanate (PZT) in the present embodiment, and has a dome shape in which the central portion 22a is formed thicker than the peripheral portion 22b.
The piezoelectric body 22 undergoes mechanical deformation by applying a drive voltage between the upper electrode 23 and the lower electrode 21, and vibrates at a predetermined frequency due to periodic fluctuations in the drive voltage, thereby causing contact vibration. The plate 16 is vibrated to generate ultrasonic waves.
Further, when the ultrasonic wave vibrates the piezoelectric body 22, the piezoelectric body 22 is polarized to generate a potential difference between the upper electrode 23 and the lower electrode 21, and also functions as a detection means for detecting the vibration as an electric signal.
As described above, in the present embodiment, the PMUT chip 2 functions as an electromechanical conversion element that periodically expands and contracts the piezoelectric body 22 by a potential difference between the upper electrode 23 and the lower electrode 21, that is, an electric signal to generate vibration. Have. In particular, the present embodiment has a function as an ultrasonic transducer that oscillates a sound wave in an ultrasonic region by such vibration.

絶縁層24は、上部電極23と下部電極21との間での短絡および、信号線29と下部電極21との間の短絡を防ぐための絶縁膜である。 The insulating layer 24 is an insulating film for preventing a short circuit between the upper electrode 23 and the lower electrode 21 and a short circuit between the signal line 29 and the lower electrode 21.

本発明の第1の実施形態として、かかる圧電素子20を有するPMUTチップ2の製造方法の一例を示す。
図8(a)に示すように、一般的なシリコン基板11上に、SOIのためのBOX層と言われる酸化膜として、酸化膜13を50nmから1000nm程度の厚みで形成する。
次にSOI活性層であるSi層14を0〜5μm形成し、さらに上に絶縁層として機能する酸化膜15を50nmから1000nm程度形成する。かかる構成は、基板形成ステップである。これらのSOIウェハの製造方法は一般的なものであって良いため、本説明では省略する。
As a first embodiment of the present invention, an example of a method for manufacturing a PMUT chip 2 having such a piezoelectric element 20 is shown.
As shown in FIG. 8A, an oxide film 13 is formed on a general silicon substrate 11 as an oxide film called a BOX layer for SOI with a thickness of about 50 nm to 1000 nm.
Next, the Si layer 14 which is an SOI active layer is formed in an amount of 0 to 5 μm, and an oxide film 15 which functions as an insulating layer is formed on the layer 14 in an amount of about 50 nm to 1000 nm. Such a configuration is a substrate forming step. Since the method for manufacturing these SOI wafers may be general, it is omitted in this description.

次に、図8(b)に示すように、第1電極である下部電極21の形成を行う。
このとき、下部電極21と下地となる酸化膜15との間には、50〜200nm程度の二酸化チタン(TiO)層を密着層として形成しても良い。
二酸化チタン(TiO)層の製法としては例えばスパッタ法によってチタンを30〜200nm成膜した後、酸素雰囲気でRTA(Rapid Thermal Anneal)によって酸化を行う方法が挙げられる。
Next, as shown in FIG. 8B, the lower electrode 21 which is the first electrode is formed.
At this time, a titanium dioxide (TiO 2 ) layer having a size of about 50 to 200 nm may be formed as an adhesion layer between the lower electrode 21 and the oxide film 15 as a base.
Examples of the method for producing the titanium dioxide (TiO 2 ) layer include a method in which titanium is formed into a film of 30 to 200 nm by a sputtering method and then oxidized by RTA (Rapid Thermal Anneal) in an oxygen atmosphere.

下部電極21は、既に述べたように白金(Pt)層であって、例えば白金(Pt)をスパッタ法によって50〜500nm成膜する。かかる構成は、第1電極形成ステップである。
下部電極21の上部には、図8(b)に示すように、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜を所謂CSD(Chemical Solution Deposition)法によって酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド化合物、チタンアルコキシド化合物を出発材料とした前駆体液をスピンコート後に乾燥、熱分解、結晶化する工程を経て成膜する。
このとき、液体吐出ヘッド100は、圧電体22の形成途中である圧電体層36aに、CSD液滴38を選択的に塗布する。
液体吐出ヘッド100は、シリコン基板11の移動あるいは液体吐出ヘッド100の移動によって、シリコン基板11上の任意の位置にCSD液滴38を塗布可能なインクジェットヘッドである。
このとき、公知の手法により、圧電体層36bを形成する部分の表面は親水性に、圧電体層36bを形成する部分の外周の表面は撥水性となるように表面処理を行う。
このような表面状態の基板に、CSD液滴38を塗布すると、液体吐出ヘッド100の微小な位置の誤差によってCSD液滴38が着弾する位置に多少のばらつきが生じてしまったときにも、親水性を備える部分のみに選択的にCSD液滴38が塗布されるとともに撥水性を備えた部分にはCSD液滴38が塗布されない状態となる。
このように所望の位置にCSD液滴38を塗布した後、部分的に塗布されたCSD液滴38について乾燥・熱分解・結晶化を行う。
1回の塗布によって形成される膜厚を増大すると、クラックが生じやすくなる懸念があるため、本実施形態においては、液体吐出ヘッド100が塗布するCSD液滴38は、結晶化された後の膜厚が100nm程度に収まるように調整している。
かかる結晶化が終了した後、再度液体吐出ヘッド100がCSD液滴38を繰り返し塗布し、所望の厚みの圧電体22が得られるまで繰り返す。かかる工程は、圧電体を形成する圧電体形成ステップである。
The lower electrode 21 is a platinum (Pt) layer as described above, and for example, platinum (Pt) is formed into a film of 50 to 500 nm by a sputtering method. Such a configuration is a first electrode forming step.
As shown in FIG. 8B, lead acetate, zirconium alkoxide compound, and titanium alkoxide compound are used as starting materials for the lead zirconate titanate (PZT) film on the upper part of the lower electrode 21 by the so-called CSD (Chemical Solution Deposition) method. The precursor solution is spin-coated and then dried, thermally decomposed, and crystallized to form a film.
At this time, the liquid discharge head 100 selectively applies the CSD droplet 38 to the piezoelectric layer 36a, which is in the process of forming the piezoelectric body 22.
The liquid discharge head 100 is an inkjet head capable of applying the CSD droplet 38 to an arbitrary position on the silicon substrate 11 by moving the silicon substrate 11 or the liquid discharge head 100.
At this time, a surface treatment is performed so that the surface of the portion forming the piezoelectric layer 36b becomes hydrophilic and the outer peripheral surface of the portion forming the piezoelectric layer 36b becomes water repellent by a known method.
When the CSD droplet 38 is applied to the substrate in such a surface state, the CSD droplet 38 is hydrophilic even when the position where the CSD droplet 38 lands is slightly varied due to a minute position error of the liquid discharge head 100. The CSD droplet 38 is selectively applied only to the portion having the property, and the CSD droplet 38 is not applied to the portion having the water repellency.
After the CSD droplet 38 is applied to the desired position in this way, the partially applied CSD droplet 38 is dried, thermally decomposed, and crystallized.
If the film thickness formed by one coating is increased, there is a concern that cracks are likely to occur. Therefore, in the present embodiment, the CSD droplet 38 coated by the liquid discharge head 100 is a film after crystallization. The thickness is adjusted to be within about 100 nm.
After the crystallization is completed, the liquid discharge head 100 repeatedly applies the CSD droplet 38 again until a piezoelectric body 22 having a desired thickness is obtained. Such a step is a piezoelectric body forming step of forming a piezoelectric body.

なお、本実施形態においては、上記の塗布工程を10〜40回繰り返すことで、1μm〜4μmの圧電体22が形成される。
このとき、CSD液滴38は、その粘度や乾燥速度等を制御可能であって、例えば粘性を高くすることで成膜後の圧電体22表面の曲率が増大する。
このように、塗布材料として用いるCSD液滴38の物性を制御することで、成膜される圧電体22の中心部の厚みや周縁部の厚みを制御することができる。
In the present embodiment, the piezoelectric body 22 having a size of 1 μm to 4 μm is formed by repeating the above coating step 10 to 40 times.
At this time, the viscosity and drying rate of the CSD droplet 38 can be controlled. For example, increasing the viscosity increases the curvature of the surface of the piezoelectric body 22 after the film formation.
By controlling the physical properties of the CSD droplet 38 used as the coating material in this way, it is possible to control the thickness of the central portion and the peripheral portion of the piezoelectric body 22 to be formed into a film.

さらに、図8(c)に示すように、形成された圧電体22の+Z側の面に、厚み50〜300nmの白金の上部電極23をスパッタ法等で成膜する。かかる工程は、第2電極を形成する第2電極形成ステップである。
このとき、上部電極23は、ドーム状の圧電体22の上面側に沿うように形成され、上部電極23の径は、圧電体22の外径よりも小さいことが望ましく、特にドーム型の圧電体の場合は上部電極23の径は、圧電体22の外形よりも小さくすることで、上部電極23と下部電極21との短絡を防止できる。
上部電極23上は、フォトリソ・エッチングによって所定のパターンにパターニングされる。
Further, as shown in FIG. 8C, a platinum upper electrode 23 having a thickness of 50 to 300 nm is formed on the + Z side surface of the formed piezoelectric body 22 by a sputtering method or the like. Such a step is a second electrode forming step of forming the second electrode.
At this time, the upper electrode 23 is formed along the upper surface side of the dome-shaped piezoelectric body 22, and it is desirable that the diameter of the upper electrode 23 is smaller than the outer diameter of the piezoelectric body 22, and in particular, the dome-shaped piezoelectric body 22. In this case, the diameter of the upper electrode 23 can be made smaller than the outer shape of the piezoelectric body 22 to prevent a short circuit between the upper electrode 23 and the lower electrode 21.
The upper electrode 23 is patterned in a predetermined pattern by photolithography etching.

次いで図8(d)に示すように、上部電極23の上に絶縁膜として絶縁層24を形成する。本実施形態では、絶縁層24は、プラズマCVD法により、モノシラン(SiH)、亜酸化窒素(NO)ガスを原料として0.4〜1.0μmの成膜を行うことで形成したシリコン酸化膜である。
かかる絶縁層24にフォトリソ・エッチングにてコンタクトホール41を開口し、Al−Cu(1μm)/Ti(50nm)の配線材料をスパッタ法によって成膜、フォトリソ・エッチングによるパターニングを経て信号線29が形成される。
さらに保護層25として、シリコン窒化膜(Si)を成膜し、配線5と接続される電極端子部分のみ開口する。
本実施形態では、保護層25は、プラズマCVD法により、モノシラン(SiH)、亜酸化窒素アンモニア(NH)ガスを原料として0.5μm〜1.5μm程度シリコン窒化膜(Si)を成膜した。
電極端子部分の開口はフォトリソ・エッチングにより行った。
Next, as shown in FIG. 8D, an insulating layer 24 is formed as an insulating film on the upper electrode 23. Silicon In this embodiment, the insulating layer 24, which by a plasma CVD method, monosilane (SiH 4), nitrous oxide (N 2 O) gas was formed by forming a film of 0.4~1.0μm as a raw material It is an oxide film.
A contact hole 41 is opened in the insulating layer 24 by photolithography etching, a wiring material of Al—Cu (1 μm) / Ti (50 nm) is formed by a sputtering method, and a signal line 29 is formed through patterning by photolithography etching. Will be done.
Further, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is formed as the protective layer 25, and only the electrode terminal portion connected to the wiring 5 is opened.
In the present embodiment, the protective layer 25 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) of about 0.5 μm to 1.5 μm using monosilane (SiH 4 ) and nitrous ammonia (NH 3) gas as raw materials by a plasma CVD method. Was formed.
The opening of the electrode terminal portion was performed by photolithography etching.

図8(d)に示すように、シリコン基板11の圧電体22とは反対側、すなわちシリコン基板11の裏面側に、空隙部30を形成する。
具体的にはバックグラインドおよびポリッシュによりシリコン基板11の厚みを20μm〜200μm程度にした後、シリコン基板11の圧電素子20が形成された面(=表面、+Z側の面)をサポート基板に貼り付ける。
シリコン基板11の裏面側(−Z側の面)にフォトリソにて所望のパターンのレジストマスクを形成し、シリコン基板11のエッチングを行う。エッチング加工はシリコン深堀エッチャーを使用し、所謂ボッシュプロセス(SFプラズマによるエッチングとCプラズマによる側壁保護膜の形成とを交互に繰り返すプロセス)により容易に行うことができる。
このとき、シリコン基板11のうちレジストマスクが形成されていない部分はエッチングによって酸化膜13が露出するまで掘り下げられ、空隙部30を形成する。かかる工程は、空隙部30をシリコン基板11の圧電体22とは反対側に形成する空隙形成ステップである。
最後に、サポートウェハの剥離、ダイシング等を行ってPMUTチップ2のウェハ生成プロセスが完了する。
As shown in FIG. 8D, the gap portion 30 is formed on the side of the silicon substrate 11 opposite to the piezoelectric body 22, that is, on the back surface side of the silicon substrate 11.
Specifically, after the thickness of the silicon substrate 11 is adjusted to about 20 μm to 200 μm by back grinding and polishing, the surface (= surface, + Z side surface) on which the piezoelectric element 20 of the silicon substrate 11 is formed is attached to the support substrate. ..
A resist mask having a desired pattern is formed on the back surface side (−Z side surface) of the silicon substrate 11 with a photolithography, and the silicon substrate 11 is etched. The etching process uses a silicon deep moat etcher and can be easily performed by a so-called Bosch process (a process in which etching by SF 6 plasma and formation of a side wall protective film by C 4 F 8 plasma are alternately repeated).
At this time, the portion of the silicon substrate 11 on which the resist mask is not formed is dug down until the oxide film 13 is exposed by etching to form the void portion 30. Such a step is a gap forming step of forming the gap 30 on the side opposite to the piezoelectric body 22 of the silicon substrate 11.
Finally, the support wafer is peeled off, dicing and the like are performed to complete the wafer generation process of the PMUT chip 2.

さて、このような製造工程を経て生成されたPMUTチップ2を超音波探触子1の超音波トランスデューサーとして用いる場合には、音圧の確保と、小型化、薄型化、高周波数化との両立が求められていた。
しかしながら、圧電素子の小型化や高周波数化は、振動部の振幅の低下から一般的には低音圧化を招いてしまうことが分かっている。
しかしながら発明者らの研究により、圧電体22の大きさと、上部電極23の大きさ、それに空隙部30の大きさを適切に制御することにより、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保が可能であることがわかってきた。
By the way, when the PMUT chip 2 generated through such a manufacturing process is used as the ultrasonic transducer of the ultrasonic probe 1, the sound pressure is secured, and the size, thickness, and frequency are increased. Both were required.
However, it is known that the miniaturization and the increase in frequency of the piezoelectric element generally lead to a decrease in sound pressure due to a decrease in the amplitude of the vibrating portion.
However, according to the research by the inventors, by appropriately controlling the size of the piezoelectric body 22, the size of the upper electrode 23, and the size of the gap portion 30, high frequency, high resolution, appropriate sound pressure and reception sensitivity are obtained. It has become clear that it is possible to secure.

この点について更に詳しく説明する。既に示した図7の断面図において、空隙部30の圧電素子20とシリコン基板11とを切った断面を見たときの空隙部30の幅:Cwとする。
「空隙部30の幅」は例えば圧電体22を積層方向であるZ方向から見たときの空隙部30の幅であり、圧電体22の中心軸を含む断面からみたときの空隙部30の幅であって良く、X方向、Y方向、あるいはその他の方向であっても良い。なお本実施形態では、空隙部30は円筒状の空間であるから、空隙部30の幅:Cwは全周方向において等しいため、図9においては特にCavity径として記載した。
また、圧電体22は上から見たときには円形状のドーム形状であるから、圧電体22の径(PZT径)を圧電体22の幅:Pw、圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptc、圧電体22の周縁部22bにおける厚みを上部電極23の端部における圧電体22の厚み:Pteとする。このように、「圧電体22の幅:Pw」は圧電素子20の積層された方向からみたときの圧電体22の幅であって、図7では説明の簡単化のために断面図を用いて記載した。
図9において、超音波トランスデューサーが振動した時のイメージを示した。説明の簡略化のため、上部配線や絶縁膜は省略している。
圧電体22の上部電極23と下部電極21とに電位を高周波でかけることにより、圧電体22は水平方向に延び縮みして結果として圧電素子20と振動板16を垂直方向に振動させる。この振動が超音波として出力される。圧電素子20はシリコン基板11が固定されているので変曲点31を境に圧電素子20が振動する。
同じエネルギーで振動する場合、変曲点付近は柔らかく、軽い方が変位量が多く、結果として音圧・受信電圧が上がる。このため変曲点31付近は圧電体22のような硬く・重たい材料がない方が好ましい。図10は図9の変曲点付近の拡大図である。空隙部30の端部と圧電体22の端部との間に生じる振動方向に対して垂直な方向の距離をスペース32とすると、スペース32は図7で用いたCw、Pwを用いて(Cw−Pw)/2で表すことができる。
このスペース32は、圧電素子製造時のパターンのズレも考慮してある程度の距離が求められる。また、圧電体22の端部と上部電極23の端部との間に生じる振動方向に対して垂直な方向の距離をスペース33とすると、スペース33は(Pw−Uw)/2で表すことができる。スペース33で表された部分は、圧電体22のみで上部電極23がないので、圧電特性に効かない。そのため、スペース33は薄く・狭い方が望ましい。
This point will be described in more detail. In the cross-sectional view of FIG. 7 shown above, the width of the gap portion 30 when the cross section of the piezoelectric element 20 of the gap portion 30 and the silicon substrate 11 is cut is defined as Cw.
The "width of the gap portion 30" is, for example, the width of the gap portion 30 when the piezoelectric body 22 is viewed from the Z direction, which is the stacking direction, and the width of the gap portion 30 when viewed from the cross section including the central axis of the piezoelectric body 22. It may be in the X direction, the Y direction, or any other direction. In the present embodiment, since the gap portion 30 is a cylindrical space, the width of the gap portion 30: Cw is equal in the entire circumferential direction, and therefore, it is particularly described as a cavity diameter in FIG.
Further, since the piezoelectric body 22 has a circular dome shape when viewed from above, the diameter (PZT diameter) of the piezoelectric body 22 is set to the width of the piezoelectric body 22: Pw, the thickness of the central portion 22a of the piezoelectric body 22: Ptc, and so on. The thickness of the peripheral edge portion 22b of the piezoelectric body 22 is defined as the thickness of the piezoelectric body 22 at the end portion of the upper electrode 23: Pte. As described above, the "width of the piezoelectric body 22: Pw" is the width of the piezoelectric body 22 when viewed from the direction in which the piezoelectric elements 20 are laminated, and in FIG. 7, a cross-sectional view is used for simplification of the description. Described.
FIG. 9 shows an image when the ultrasonic transducer vibrates. The upper wiring and insulating film are omitted for the sake of simplicity.
By applying an electric potential to the upper electrode 23 and the lower electrode 21 of the piezoelectric body 22 at a high frequency, the piezoelectric body 22 expands and contracts in the horizontal direction, and as a result, the piezoelectric element 20 and the diaphragm 16 vibrate in the vertical direction. This vibration is output as ultrasonic waves. Since the silicon substrate 11 is fixed to the piezoelectric element 20, the piezoelectric element 20 vibrates at the inflection point 31.
When vibrating with the same energy, the area around the inflection point is soft, and the lighter the vibration, the larger the displacement, and as a result, the sound pressure and reception voltage increase. Therefore, it is preferable that there is no hard / heavy material such as the piezoelectric material 22 in the vicinity of the inflection point 31. FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the inflection point of FIG. Assuming that the distance in the direction perpendicular to the vibration direction generated between the end of the gap 30 and the end of the piezoelectric 22 is the space 32, the space 32 uses Cw and Pw used in FIG. 7 (Cw). It can be represented by −Pw) / 2.
The space 32 is required to have a certain distance in consideration of the deviation of the pattern at the time of manufacturing the piezoelectric element. Further, assuming that the distance in the direction perpendicular to the vibration direction generated between the end portion of the piezoelectric body 22 and the end portion of the upper electrode 23 is the space 33, the space 33 can be represented by (Pw-Uw) / 2. can. Since the portion represented by the space 33 is only the piezoelectric body 22 and does not have the upper electrode 23, it does not affect the piezoelectric characteristics. Therefore, it is desirable that the space 33 is thin and narrow.

図11に示すように、かかる空隙部30の幅:Cwに対応するCavity径が増大すればするほど、振動板16の共振によって生じる超音波の周波数は減少する。
具体的には周波数5MHz〜20MHzの範囲で共振を起こすためにはCavity径は30μm〜100μm程度になる。
本実施形態では、周波数10MHzとして、空隙部30の幅:Cw=60μm〜70μmの範囲内とした。
As shown in FIG. 11, as the width corresponding to the width of the gap 30: Cw increases, the frequency of ultrasonic waves generated by the resonance of the diaphragm 16 decreases.
Specifically, in order to cause resonance in the frequency range of 5 MHz to 20 MHz, the cavity diameter is about 30 μm to 100 μm.
In the present embodiment, the frequency is set to 10 MHz and the width of the gap 30 is within the range of Cw = 60 μm to 70 μm.

次に、圧電体22の形状について述べる。
本実施形態では圧電体22は図8(b)の説明で述べたように中心部22aが周縁部22bよりも厚いドーム形状である。
圧電体22が円柱形状であった場合には、圧電体22の曲がり易さは一様であるが、ドーム形状である場合にはエッジ部分の厚みが薄いため、周縁部22b側が比較的変位しやすく、ドーム形状の方が結果的に音圧と受信感度とが高く維持できる。
このように圧電体22の形状と音圧の相対評価を行った図を図12に示す。なお図12において縦軸の音圧の値は相対値であって、所定の音圧を1としたときの任意単位である。
また、図12は超音波トランスデューサーとしてPMUTチップ2から超音波を発したときに検知された音圧の大きさをグラフ化したものである。
Next, the shape of the piezoelectric body 22 will be described.
In the present embodiment, the piezoelectric body 22 has a dome shape in which the central portion 22a is thicker than the peripheral portion 22b as described in FIG. 8B.
When the piezoelectric body 22 has a cylindrical shape, the bendability of the piezoelectric body 22 is uniform, but when the piezoelectric body 22 has a dome shape, the edge portion is thin, so that the peripheral portion 22b side is relatively displaced. It is easy, and as a result, the sound pressure and the reception sensitivity can be maintained higher in the dome shape.
FIG. 12 shows a diagram in which the shape of the piezoelectric body 22 and the sound pressure are relatively evaluated in this way. In FIG. 12, the sound pressure value on the vertical axis is a relative value, which is an arbitrary unit when a predetermined sound pressure is 1.
Further, FIG. 12 is a graph showing the magnitude of the sound pressure detected when ultrasonic waves are emitted from the PMUT chip 2 as an ultrasonic transducer.

図12から明らかなように、圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptcとしたとき、円柱形状とドーム形状とで圧電体22の厚みが同じであれば、ドーム形状の方が音圧が高く確保できるので、圧電体22はドーム形状とした方が好ましい。
また、圧電体22が円柱形状の場合にはその重みによって圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptcが増大するにつれて音圧が低下するが、ドーム形状であれば圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptcを増加させたときにも音圧の低下を抑制することができる。
As is clear from FIG. 12, when the thickness at the central portion 22a of the piezoelectric body 22 is Ptc, if the thickness of the piezoelectric body 22 is the same between the cylindrical shape and the dome shape, the dome shape has a higher sound pressure. Since it can be secured, it is preferable that the piezoelectric body 22 has a dome shape.
Further, when the piezoelectric body 22 has a cylindrical shape, the sound pressure decreases as the thickness: Ptc in the central portion 22a of the piezoelectric body 22 increases due to its weight, but when the piezoelectric body 22 has a dome shape, the central portion 22a of the piezoelectric body 22 has a shape. Thickness: The decrease in sound pressure can be suppressed even when Ptc is increased.

図13にPZT径と送信音圧の関係、図14にPZT径と受信電圧の関係を示す。 FIG. 13 shows the relationship between the PZT diameter and the transmitted sound pressure, and FIG. 14 shows the relationship between the PZT diameter and the received voltage.

そこで、本実施形態では、Cavity径である空隙部30の幅:Cw、圧電体22の径(PZT径)に相当する圧電体22の幅:Pwとしたとき、圧電素子20は、条件式(1)を満足する。 Therefore, in the present embodiment, when the width of the gap portion 30 which is the Caviity diameter is Cw and the width of the piezoelectric body 22 corresponding to the diameter of the piezoelectric body 22 (PZT diameter) is Pw, the piezoelectric element 20 is based on the conditional equation (PZT diameter). Satisfy 1).

Figure 2021153293
Figure 2021153293

かかる条件式(1)は、空隙部30の大きさに対する圧電体22の大きさを規定する式である。かかる条件式(1)の下限よりも小さくなると、空隙部30に対して圧電体22が小さくなりすぎてしまうため、振動板16が十分に振動せず、音圧の低下を招く。
他方、条件式(1)の上限よりも大きくなると、空隙部30に対して圧電体22が大きくなりすぎてしまうため、図9、図10に示すように圧電体22が重く、硬いため振動板16が十分に振動せず、音圧の低下を招く。
図14から明らかなように、受信感度についても同様の理由で圧電体22の幅と空隙部30の幅とを条件式(1)の範囲内とすることで音圧相対値0.5以上を確保することができる。また、(1)の範囲内でさらに、0.7≦Pw/Cw≦0.9とすることで、より音圧相対値を上げることができるのでさらに好ましい。
The conditional expression (1) is an expression that defines the size of the piezoelectric body 22 with respect to the size of the gap portion 30. If it is smaller than the lower limit of the conditional expression (1), the piezoelectric body 22 becomes too small with respect to the gap portion 30, so that the diaphragm 16 does not vibrate sufficiently, resulting in a decrease in sound pressure.
On the other hand, if it becomes larger than the upper limit of the conditional expression (1), the piezoelectric body 22 becomes too large with respect to the gap portion 30, and as shown in FIGS. 9 and 10, the piezoelectric body 22 is heavy and hard, so that the diaphragm 16 does not vibrate sufficiently, causing a decrease in sound pressure.
As is clear from FIG. 14, for the same reason as for the reception sensitivity, the width of the piezoelectric body 22 and the width of the gap 30 are set within the range of the conditional expression (1) so that the relative sound pressure value is 0.5 or more. Can be secured. Further, it is more preferable to set 0.7 ≦ Pw / Cw ≦ 0.9 within the range of (1) because the relative sound pressure value can be further increased.

また、図7における上部電極23の幅:Uwとしたとき、圧電素子20は、条件式(2)を満足する。 Further, when the width of the upper electrode 23 in FIG. 7 is Uw, the piezoelectric element 20 satisfies the conditional expression (2).

Figure 2021153293
Figure 2021153293

かかる条件式(2)は、圧電体22に対する上部電極23の大きさを規定する式である。図15にかかる条件式(2)と音圧相対値との関係を図示する。
図15から明らかなように、Uwは大きくなればなるほど(UwがPwに対して大きくなるほど)圧電効果が増大して音圧としては改善される。
しかしながら、上部電極と受信電圧とは図16で示すように、UwがPwに対して大きくなる程、受信電圧は小さくなる。また上部電極23の幅と圧電素子容量との関係を図17に示す。図17に示すとおり、上部電極23が大きくなると、上下電極に挟まる圧電体22の圧電素子容量が増加する。
このような圧電素子容量が大きくなると、回路上に意図しないC成分が乗るために高周波数帯における応答性の低下や電圧低下を生じてしまう。
本実施形態においては特に、PMUTチップ2には圧電素子20が複数並べられており、それぞれが上部電極23と下部電極21とを有し、下部電極21はアレイ方向において共有されている。すなわち、かかる圧電素子容量が並列の合成容量となってしまうために、信号の遅延や電圧低下による影響が大きく、圧電素子20の1つあたりの圧電素子容量を出来るかぎり小さくすることが好ましい。
従って、図15、16、17の結果と合わせて最適な値を設計することが重要である。
そこで、本実施形態では、圧電素子20が条件式(2)を満足することで、圧電素子容量を低減し、圧電体22の幅:Pwと上部電極23の幅:Uwとを条件式(2)の範囲内とすることで音圧相対値0.5以上を確保しながらも、受信電圧を確保しながら、圧電素子容量を低減して、高周波数に対する応答性の低下を抑制ことができる。
さらに、条件式(2)の範囲内で、0.7≦Uw/Pw≦0.8とすることで応答正と音圧を両立することができるので、さらに好ましい。
The conditional expression (2) is an expression that defines the size of the upper electrode 23 with respect to the piezoelectric body 22. The relationship between the conditional expression (2) according to FIG. 15 and the relative sound pressure value is illustrated.
As is clear from FIG. 15, as Uw becomes larger (as Uw becomes larger than Pw), the piezoelectric effect increases and the sound pressure is improved.
However, as shown in FIG. 16, the upper electrode and the received voltage become smaller as Uw becomes larger than Pw. The relationship between the width of the upper electrode 23 and the capacitance of the piezoelectric element is shown in FIG. As shown in FIG. 17, as the upper electrode 23 becomes larger, the piezoelectric element capacitance of the piezoelectric body 22 sandwiched between the upper and lower electrodes increases.
When the capacitance of such a piezoelectric element becomes large, an unintended C component is placed on the circuit, which causes a decrease in responsiveness and a decrease in voltage in a high frequency band.
In this embodiment, in particular, a plurality of piezoelectric elements 20 are arranged in the PMUT chip 2, each of which has an upper electrode 23 and a lower electrode 21, and the lower electrode 21 is shared in the array direction. That is, since the piezoelectric element capacitance becomes a parallel combined capacitance, the influence of signal delay and voltage drop is large, and it is preferable to reduce the piezoelectric element capacitance per piezoelectric element 20 as much as possible.
Therefore, it is important to design the optimum value in combination with the results of FIGS. 15, 16 and 17.
Therefore, in the present embodiment, the piezoelectric element 20 satisfies the conditional equation (2) to reduce the capacitance of the piezoelectric element, and the width of the piezoelectric body 22: Pw and the width of the upper electrode 23: Uw are set to the conditional equation (2). ), While ensuring a relative sound pressure value of 0.5 or more, the capacitance of the piezoelectric element can be reduced while securing the reception voltage, and a decrease in responsiveness to high frequencies can be suppressed.
Further, it is more preferable to set 0.7 ≦ Uw / Pw ≦ 0.8 within the range of the conditional expression (2) because both positive response and sound pressure can be achieved at the same time.

また、上部電極23の端部における圧電体22の厚み:Pte、圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptcとしたとき、圧電素子20は条件式(3)を満足する。 Further, when the thickness of the piezoelectric body 22 at the end of the upper electrode 23 is Pte and the thickness of the central portion 22a of the piezoelectric body 22 is Ptc, the piezoelectric element 20 satisfies the conditional expression (3).

Figure 2021153293
Figure 2021153293

一般的に、ドーム型の圧電体形状は、Y=−ax+bのような数式に近似される(例えば特許文献6等参照)。図18には、圧電体22の膜厚と破壊耐圧の関係を示す。
かかる上部電極23の端部における圧電体22の厚み:Pteは、周縁部22bの厚みのうち代表的な値であって、かかるPteが薄いと上部電極23と下部電極21との間で絶縁破壊され、Pte=0では短絡されてしまう。逆にPteが厚いと、ドーム形状ではPtcに近くなり、上部電極23の幅:Uwが小さくなるので、条件式(2)を満たさなくなる。
また図19に圧電体22の厚みと圧電素子容量との関係を示す。図19から明らかなように、圧電体22の膜厚を厚くすることで、圧電素子容量を低減することが可能である。
そこで、条件式(3)を満足することで、上部電極23と下部電極21との間の破壊耐圧を確保し、音圧や受信電圧を向上させ、圧電素子容量を最適化できる。また、本実施形態では、既に述べたように上部電極23の幅:Uwと圧電体22の幅:Pwとは条件式(2)の範囲で規制されている。そこで、本実施形態では、条件式(3)に加えて、上部電極23の端部における圧電体22の厚み:Pte≦3μmの範囲内であることがより好ましい。
さらに、Pteの範囲を(3)の範囲内で、1μm≦Pte≦2μmとすることで、絶縁破壊に対する耐久性とドーム形状による音圧の向上を両立することができるのでさらに好ましい。
Generally, the dome-shaped piezoelectric body shape is approximated by a mathematical formula such as Y = -ax 2 + b (see, for example, Patent Document 6 and the like). FIG. 18 shows the relationship between the film thickness of the piezoelectric body 22 and the breakdown pressure resistance.
The thickness of the piezoelectric body 22 at the end of the upper electrode 23: Pte is a typical value of the thickness of the peripheral edge 22b, and if the Pte is thin, dielectric breakdown between the upper electrode 23 and the lower electrode 21 is broken. And if Pte = 0, it will be short-circuited. On the contrary, when Pte is thick, the dome shape becomes close to Ptc, and the width of the upper electrode 23: Uw becomes small, so that the conditional expression (2) is not satisfied.
Further, FIG. 19 shows the relationship between the thickness of the piezoelectric body 22 and the capacitance of the piezoelectric element. As is clear from FIG. 19, the piezoelectric element capacity can be reduced by increasing the film thickness of the piezoelectric body 22.
Therefore, by satisfying the conditional expression (3), it is possible to secure the breakdown withstand voltage between the upper electrode 23 and the lower electrode 21, improve the sound pressure and the received voltage, and optimize the piezoelectric element capacitance. Further, in the present embodiment, as described above, the width of the upper electrode 23: Uw and the width of the piezoelectric body 22: Pw are regulated within the range of the conditional expression (2). Therefore, in the present embodiment, in addition to the conditional expression (3), it is more preferable that the thickness of the piezoelectric body 22 at the end of the upper electrode 23 is within the range of Pte ≦ 3 μm.
Further, setting the range of Pte within the range of (3) to 1 μm ≦ Pte ≦ 2 μm is more preferable because durability against dielectric breakdown and improvement of sound pressure due to the dome shape can be achieved at the same time.

本実施形態では、圧電体22の中心部22aにおける厚み:Ptcとしたとき、条件式(4)を満足する。 In the present embodiment, the conditional expression (4) is satisfied when the thickness at the central portion 22a of the piezoelectric body 22 is Ptc.

Figure 2021153293
Figure 2021153293

かかる条件式(4)の上限よりも大きくなると、圧電体22の膜厚が大きくなりすぎてしまうために、クラックなどが生じやすくなる。
また、条件式(4)の下限よりも小さくなると、既に述べたように圧電素子容量の増大を招き、絶縁耐圧も低下するため好ましくない。
さらに、Ptcの範囲を(4)の範囲内で1.5μm≦Ptc≦3μmの範囲とすることで、クラックの抑制による耐久性とドーム形状による音圧の向上とを両立できるため、さらに好ましい。
If it is larger than the upper limit of the conditional expression (4), the film thickness of the piezoelectric body 22 becomes too large, so that cracks and the like are likely to occur.
Further, if it is smaller than the lower limit of the conditional expression (4), as already described, the piezoelectric element capacity is increased and the withstand voltage is also lowered, which is not preferable.
Further, by setting the range of Ptc to the range of 1.5 μm ≦ Ptc ≦ 3 μm within the range of (4), durability by suppressing cracks and improvement of sound pressure due to the dome shape can be achieved at the same time, which is more preferable.

以上、本実施形態における圧電素子20の代表的な部分のサイズの最適化について述べたが、かかるサイズは、実施形態の一例として挙げたものであって、かかる大きさに限定されるものではない。 The optimization of the size of the typical portion of the piezoelectric element 20 in the present embodiment has been described above, but the size is given as an example of the embodiment and is not limited to the size. ..

例えば、圧電体22は本実施形態では中心を軸として軸対称なドーム形状であって、何れの位置においても条件式(1)を満足するが、図20(a)に示すように圧電体22を+Z方向側から見たときに楕円となるようなドーム形状である場合には、例えばA−A'方向断面とA方向と直交するB−B’方向断面との両方において条件式(1)を満足するように形成しても良い。また図21のように圧電体22だけでなく空隙部30も同様に楕円形状であっても構わない。
かかる圧電体22の断面図の一例を、図20(b)、図20(c)に示した。
For example, in the present embodiment, the piezoelectric body 22 has a dome shape that is axisymmetric with respect to the center, and satisfies the conditional expression (1) at any position, but as shown in FIG. 20 (a), the piezoelectric body 22 When the dome shape is elliptical when viewed from the + Z direction side, for example, the conditional equation (1) is used in both the AA'direction cross section and the BB'direction cross section orthogonal to the A direction. May be formed to satisfy. Further, as shown in FIG. 21, not only the piezoelectric body 22 but also the gap portion 30 may have an elliptical shape.
An example of a cross-sectional view of the piezoelectric body 22 is shown in FIGS. 20 (b) and 20 (c).

また、本発明の第2の実施例として、圧電素子20に備えられた圧電体22’の形状をドーム形状から円柱形状に変更した場合の構成について説明する。
図22に示すように、本実施形態では、圧電体22’が中心部と周縁部とで厚みに差がない円柱状に形成されている。なお第1の実施例として述べたものと同一の構成については同一の符号を付して説明は適宜省略する。また、絶縁層24、保護層25、信号線29等の円柱形状にしたことによって大きな違いの出ない部分についても説明を省略した。
Further, as a second embodiment of the present invention, a configuration when the shape of the piezoelectric body 22'provided in the piezoelectric element 20 is changed from a dome shape to a cylindrical shape will be described.
As shown in FIG. 22, in the present embodiment, the piezoelectric body 22'is formed in a columnar shape having no difference in thickness between the central portion and the peripheral portion. The same configurations as those described in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate. In addition, the description of the parts that do not make a big difference due to the cylindrical shape of the insulating layer 24, the protective layer 25, the signal line 29, etc. is omitted.

このような圧電体22’についても、圧電素子20の中心を含む平面で圧電素子20とシリコン基板11とを切った断面を見たときの空隙部30の幅:Cw、圧電体22’の幅:Pwは、それぞれ図23にその断面を示すように定義される。
具体的には円柱形状の圧電体22’を+Z方向から見たときの径が圧電体22’の幅:Pwであり、同様に空隙部30の径が空隙部30の幅:Cwである。
また、圧電体22’の+Z方向への高さが圧電体22’の厚み:Ptであり、当然の事であるが本実施例では特にPt=Pte=Ptcである。
Regarding such a piezoelectric body 22', the width of the gap 30 when the cross section of the piezoelectric element 20 and the silicon substrate 11 is cut in a plane including the center of the piezoelectric element 20: Cw, the width of the piezoelectric body 22' : Pw is defined to show its cross section in FIG. 23, respectively.
Specifically, the diameter of the cylindrical piezoelectric body 22'when viewed from the + Z direction is the width of the piezoelectric body 22': Pw, and similarly, the diameter of the gap portion 30 is the width of the gap portion 30: Cw.
Further, the height of the piezoelectric body 22'in the + Z direction is the thickness of the piezoelectric body 22': Pt, and as a matter of course, in this embodiment, Pt = Pte = Ptc.

また、上部電極23’もまた、同様に圧電体22’の上部に成膜された円柱形状の白金(Pt)電極である。
このとき圧電素子20の断面における上部電極23’の幅:Uwとしたとき、図23に示すように上部電極23’の幅:Uwが定義される。
Further, the upper electrode 23'is also a cylindrical platinum (Pt) electrode formed on the upper portion of the piezoelectric body 22'.
At this time, assuming that the width of the upper electrode 23'in the cross section of the piezoelectric element 20 is Uw, the width of the upper electrode 23'is defined as Uw as shown in FIG.

さて、このような第2の実施例においても、PMUTチップ2は、圧電素子20の断面における上部電極の幅:Uwとしたとき、条件式(1)、条件式(2)を満足する。
かかる構成とすることで、図22、図23に示したような実施形態においても、高周波数、高解像度かつ適正な音圧と受信感度の確保ができる。
By the way, also in such a second embodiment, the PMUT chip 2 satisfies the conditional equation (1) and the conditional equation (2) when the width of the upper electrode in the cross section of the piezoelectric element 20 is Uw.
With such a configuration, high frequency, high resolution, appropriate sound pressure, and reception sensitivity can be ensured even in the embodiments shown in FIGS. 22 and 23.

かかる構成の円柱形状の圧電体22’を形成する場合には、インクジェット方式によらず、スパッタリングやCVD、ゾルゲル液をスピンコートした上で1〜4μmの圧電体22’を成膜し、フォトリソ・エッチングを用いてパターニングすることで製造することができる。 In the case of forming the cylindrical piezoelectric body 22'with such a configuration, regardless of the inkjet method, a piezoelectric body 22' of 1 to 4 μm is formed by spin-coating with a sputtering, CVD or sol-gel solution, and photolithography is performed. It can be manufactured by patterning using etching.

上述の第1、第2の実施形態においては、空隙部30は図8(e)に例として示したように、圧電素子20をシリコン基板11上に形成した後で、裏面側から形成することとしたが、図24に示すように、シリコン基板11にSOIを構成する工程において予め基板表面からシリコンを1〜5μm程度エッチングする製造方法や、所謂犠牲層エッチングと呼ばれるように、空隙部30の壁面を構成する部分の一部に開口部となる穴34を開け、シリコン基板11を穴34からドライエッチングする製造方法をとることとしても良い。
また、空隙部30の形状についても、円筒形状の他、圧電素子20の形状に合わせて様々な変形例をとっても良い。
In the first and second embodiments described above, the gap portion 30 is formed from the back surface side after the piezoelectric element 20 is formed on the silicon substrate 11 as shown in FIG. 8E as an example. However, as shown in FIG. 24, in the step of forming the SOI on the silicon substrate 11, a manufacturing method in which silicon is etched from the surface of the substrate by about 1 to 5 μm in advance, or a so-called sacrificial layer etching, in which the gap portion 30 is formed. A manufacturing method may be adopted in which a hole 34 serving as an opening is formed in a part of a portion constituting the wall surface, and the silicon substrate 11 is dry-etched from the hole 34.
Further, as for the shape of the gap portion 30, in addition to the cylindrical shape, various deformation examples may be taken according to the shape of the piezoelectric element 20.

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに異なる実施形態や変形例を適宜に組み合わせてもよい。 Although the embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. .. In addition, various inventions can be formed by an appropriate combination of the plurality of components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be removed from all the components shown in the embodiments. Further, different embodiments and modifications may be combined as appropriate.

1 超音波探触子
2 超音波トランスデューサー、電気機械変換素子(PMUTチップ)
3 支持部
8 音響レンズ
9 測定対象物
10 超音波診断装置
11 基板部(シリコン基板)
20 圧電素子
21 第1電極(下部電極)
22 圧電体
22a 圧電体の中心部
22b 圧電体の周縁部
23 第2電極(上部電極)
30 空隙部
31 変曲点
32 空隙部と圧電体端部とのスペース(Cw−Pw)/2
33 圧電体と上部電極とのスペース(Pw−Uw)/2
61 表示部
62 操作部
63 制御部
Cw 空隙部の幅
Pw 圧電体の幅
Uw 上部電極の幅
Pte 周縁部における圧電体の厚み
Ptc 中心部における圧電体の厚み
1 Ultrasonic probe 2 Ultrasonic transducer, electromechanical conversion element (PMUT chip)
3 Support part 8 Acoustic lens 9 Measurement object 10 Ultrasonic diagnostic device 11 Substrate part (silicon substrate)
20 Piezoelectric element 21 First electrode (lower electrode)
22 Piezoelectric body 22a Central part of piezoelectric body 22b Peripheral part of piezoelectric body 23 Second electrode (upper electrode)
30 Void portion 31 Inflection point 32 Space between the void portion and the end of the piezoelectric body (Cw-Pw) / 2
33 Space between the piezoelectric body and the upper electrode (Pw-Uw) / 2
61 Display unit 62 Operation unit 63 Control unit Cw Void width Pw Piezoelectric width Uw Upper electrode width Pte Piezoelectric thickness at the periphery Ptc Piezoelectric thickness at the center

特開2019−071361号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-071361 特許第6586705号公報Japanese Patent No. 6586705 特許第5345917号公報Japanese Patent No. 5345917 特許第5499479号公報Japanese Patent No. 5499479 特許第5974486号公報Japanese Patent No. 5974486 特許第6182968号公報Japanese Patent No. 6182968

Claims (11)

順次積層された、基板と、第1の電極と、圧電体と、第2の電極と、
前記第1電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、
を備え、
前記順次積層される方向からみた前記空隙部の幅:Cwと前記圧電体の幅:Pwとが、条件式(1):0.65≦Pw/Cw≦0.95を満足することを特徴とする、電気機械変換素子。
The substrate, the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode, which are sequentially laminated,
A gap formed in the substrate on the side opposite to the piezoelectric body across the first electrode, and
With
The width of the gap portion as seen from the direction of sequential stacking: Cw and the width of the piezoelectric body: Pw satisfy the conditional expression (1): 0.65 ≦ Pw / Cw ≦ 0.95. Electromechanical conversion element.
請求項1に記載の電気機械変換素子であって、
前記積層方向からみた前記第2電極の幅:Uwとしたとき、
条件式(2):0.6≦Uw/Pw≦0.9
を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical conversion element according to claim 1.
When the width of the second electrode as seen from the stacking direction: Uw,
Conditional expression (2): 0.6 ≤ Uw / Pw ≤ 0.9
An electromechanical conversion element characterized by satisfying.
請求項1または2に記載の電気機械変換素子であって、
前記圧電体は、前記積層された方向について中心部が周縁部よりも厚いことを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical conversion element according to claim 1 or 2.
The piezoelectric body is an electromechanical conversion element characterized in that the central portion is thicker than the peripheral portion in the laminated direction.
請求項3に記載の電気機械変換素子であって、
前記第2電極の端部における前記圧電体の厚み:Pteとし、
前記圧電体の前記中心部における厚み:Ptcとしたとき、
条件式(3):0.2≦Pte/Ptc≦1.0
を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical conversion element according to claim 3.
The thickness of the piezoelectric body at the end of the second electrode: Pte.
When the thickness of the piezoelectric body at the center is Ptc,
Conditional expression (3): 0.2 ≤ Pte / Ptc ≤ 1.0
An electromechanical conversion element characterized by satisfying.
請求項3または4に記載の電気機械変換素子であって、
前記圧電体の前記中心部における厚み:Ptcが、
条件式(4):1μm≦Ptc≦4μm
を満足することを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical conversion element according to claim 3 or 4.
Thickness of the piezoelectric material at the center: Ptc
Conditional expression (4): 1 μm ≤ Ptc ≤ 4 μm
An electromechanical conversion element characterized by satisfying.
請求項1乃至5の何れか1つに記載の電気機械変換素子であって、
前記圧電体および前記空隙部の前記積層方向から見た形状は、前記積層方向に平行で前記圧電体の中心を通る中心軸に対して軸対称であることを特徴とする電気変換素子。
The electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 5.
An electrical conversion element characterized in that the shapes of the piezoelectric body and the gap portion seen from the stacking direction are parallel to the stacking direction and axially symmetric with respect to a central axis passing through the center of the piezoelectric body.
請求項1乃至6の何れか1つに記載の電気機械変換素子であって、
前記圧電体および前記空隙部が複数アレイ状に配置されることを特徴とする電気機械変換素子。
The electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 6.
An electromechanical conversion element characterized in that the piezoelectric body and the gap portion are arranged in a plurality of arrays.
請求項1乃至7の何れか1つに記載の電気機械変換素子を用いる、超音波トランスデューサー。 An ultrasonic transducer using the electromechanical conversion element according to any one of claims 1 to 7. 請求項8に記載の超音波トランスデューサーと、音響レンズと、前記超音波トランスデューサーと前記音響レンズとを支持する支持部と、を有し、
前記電気機械変換素子に電圧を印加して前記空隙部の底面を振動させることで超音波を測定対象物に向けて発振するとともに、前記測定対象物に反射した前記超音波の振動を検知することを特徴とする超音波探触子。
The ultrasonic transducer according to claim 8, an acoustic lens, and a support portion that supports the ultrasonic transducer and the acoustic lens.
By applying a voltage to the electromechanical conversion element to vibrate the bottom surface of the gap portion, ultrasonic waves are oscillated toward the object to be measured, and the vibration of the ultrasonic waves reflected by the object to be measured is detected. Ultrasonic probe featuring.
請求項9に記載の超音波探触子と、
前記測定対象物の形状を表示するための表示部と、を有する超音波診断装置。
The ultrasonic probe according to claim 9,
An ultrasonic diagnostic apparatus having a display unit for displaying the shape of the object to be measured.
順次積層された、基板と、第1の電極と、圧電体と、第2の電極と、
前記第1電極を挟んで前記圧電体と反対側の前記基板に形成された空隙部と、
を備える電気機械変換素子の製造方法であって、
前記基板に第1電極を形成する第1電極形成ステップと、
前記第1電極の上にインクジェット方式によって前記圧電体を塗布する圧電体形成ステップと、
前記圧電体の上面の一部に第2電極を形成する第2電極形成ステップと、
前記基板に空隙部を形成する空隙形成ステップと、
を有し、
前記積層方向からみた前記空隙部の幅:Cwと前記圧電体の幅:Pwとが、条件式(1):0.65≦Pw/Cw≦0.95を満足する
ことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
The substrate, the first electrode, the piezoelectric body, and the second electrode, which are sequentially laminated,
A gap formed in the substrate on the side opposite to the piezoelectric body across the first electrode, and
It is a manufacturing method of an electromechanical conversion element provided with
The first electrode forming step of forming the first electrode on the substrate, and
A piezoelectric body forming step of applying the piezoelectric body onto the first electrode by an inkjet method,
A second electrode forming step of forming a second electrode on a part of the upper surface of the piezoelectric body,
A gap forming step for forming a gap in the substrate,
Have,
An electric machine characterized in that the width of the void portion: Cw and the width of the piezoelectric body: Pw as viewed from the stacking direction satisfy the conditional expression (1): 0.65 ≦ Pw / Cw ≦ 0.95. Method of manufacturing a conversion element.
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