JP2990926B2 - 超音波振動子 - Google Patents

超音波振動子

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JP2990926B2 JP4058097A JP5809792A JP2990926B2 JP 2990926 B2 JP2990926 B2 JP 2990926B2 JP 4058097 A JP4058097 A JP 4058097A JP 5809792 A JP5809792 A JP 5809792A JP 2990926 B2 JP2990926 B2 JP 2990926B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、超音波顕微鏡装置、
超音波診断装置などに用いられる超音波トランスデュー
サなどに含まれる超音波振動子に関し、特に高周波の超
音波を発生させることが可能となる超音波振動子を含む
超音波トランスデューサの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、圧電材料を挟む電極間に交流
電圧を印加し、圧電効果によってこの圧電材料の厚みが
周期的に変化することにより超音波を発生させる超音波
振動子を含む超音波トランスデューサは知られている。
このような超音波トランスデューサの従来例の一例につ
いて、図14および図15を用いて説明する。図14
は、従来の超音波トランスデューサの概略構成を示す図
である。図14を参照して、従来の超音波トランスデュ
ーサ41は、ZnO,SiO2 ,PbTiO3 などの圧
電体材料からなる圧電振動膜43と、この圧電振動膜4
3を挟むように設けられた上部電極42および下部電極
45と、この上部電極42および下部電極45に接続さ
れ交流電圧を印加するための交流電源装置46とを備え
ている。
【0003】上記の構造を有する従来の超音波トランス
デューサ41に、交流電源装置46によって交流電圧が
印加されると、圧電振動膜43の厚みが周期的に変化す
る。それにより、超音波が発生することになる。また、
超音波が圧電振動膜43に入射されることにより、上部
電極42および下部電極45間に交流電圧が発生する。
【0004】上記のような従来の超音波トランスデュー
サ41により発生される超音波の周波数は、圧電振動膜
43の膜厚に依存する。すなわち、圧電振動膜43の膜
厚が大きい場合は、発生させ得る超音波の周波数は比較
的低いものとなり、圧電振動膜43の膜厚が薄い場合に
は、発生させ得る超音波の周波数は比較的高いものとな
る。近年、上記の超音波トランスデューサを用いた超音
波顕微鏡などにおいては、その検出精度を向上させるた
めに使用振動周波数を高くしたいという要望がある。こ
のような要望を満足するには、上述したように、圧電振
動膜43の膜厚を薄くすればよいことになる。しかし、
従来、圧電振動膜43の加工は機械的加工法によって行
なわれていたため、その加工の限界値と思われる値が存
在すると考えられていた。
【0005】そこで、上記の内容に鑑み、発生周波数の
向上を図った改良例が、特開平2−312499に開示
されている。この特開平2−312499に開示された
発明に基づく超音波トランスデューサ51を図15に示
す。
【0006】図15を参照して、この改良例となる超音
波トランスデューサ51は、その下部にダイヤフラム部
57aが形成されたシリコンウエハ57と、このシリコ
ンウエハ57の上部およびシリコンウエハ57の下部に
形成されたダイヤフラム部57a以外の部分に形成され
た酸化膜58と、ダイヤフラム部57aが形成されてい
ない面上に形成された酸化膜58の所定領域上に形成さ
れた下部電極55と、この下部電極55表面上の所定領
域から酸化膜58表面上の一部にわたって形成された圧
電材料からなる圧電振動膜53と、この圧電振動膜53
上の所定領域から酸化膜58上の所定領域にわたって形
成された上部電極52とを備えている。
【0007】上記の構造を有する超音波トランスデュー
サ51においては、圧電振動膜53をスパッタリング法
などによって形成することができるので、極めて薄い圧
電振動膜53を形成することが可能となる。そして、こ
の圧電振動膜53と上記のダイヤフラム部57aとの膜
厚比を選択することによって、高周波の超音波を発生さ
せることが可能となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の改良例となる超
音波トランスデューサ51は、圧電振動膜53の膜厚を
極めて薄く形成することによって、高周波の超音波を得
ようとするものであった。すなわち、ZnOなどからな
る圧電振動膜53の膜厚もダイヤフラム部57aにおけ
るシリコンウエハ57の膜厚もどちらも極めて薄いもの
とする必要があった。そのため、機械的な強度という観
点からみれば、強度は小さくなり、信頼性に対する問題
が生じることになる。
【0009】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものであり、高周波の超音波を発生する
ことが可能となり、かつ機械的な強度も大きくすること
によって信頼性の高い超音波トランスデューサを提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に基づく超音波
振動子は、圧電材料からなる圧電体膜上に、この圧電体
膜と一体となって振動することによって超音波を発生さ
せるためのダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素
膜からなる振動助長膜を備えている。そして、上記の圧
電体膜に電圧を印加するために、上記の圧電体膜を挟む
ように第1および第2電極が設けられている。
【0011】
【作用】この発明に基づく超音波振動子は、圧電体膜上
にこの圧電体膜と一体となって振動することによって超
音波を発生させるダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド
状炭素膜からなる振動助長膜を備えている。上記のダイ
ヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜は、高音速材
料であるため、圧電体膜と一体となって振動することに
よって、高周波の超音波を発生させることが可能とな
る。また、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素
膜は、他の材料に比べて、高音速材料として最も優れて
いると言えるため、他の材料を用いて実現し得る高周波
の超音波と同等の超音波を発生させるには、他の材料の
厚みよりも厚いもので実現し得る。さらに、ダイヤモン
ド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜は、機械的強度ある
いは化学的安定性にも優れているため、機械的あるいは
化学的信頼性を著しく向上させることが可能となる。す
なわち、高周波の超音波を発生させかつ信頼性の高い超
音波振動子を実現することが可能となる。
【0012】
【実施例】以下に、この発明に基づく実施例について図
1〜図13を用いて説明する。図1は、この発明に基づ
く超音波トランスデューサの概略構成を概念的に示す図
である。図1を参照して、この実施例における超音波ト
ランスデューサ1は、圧電振動膜3としてZnO,Si
2 ,PbTiO3 などの圧電体材料が用いられてお
り、この圧電振動膜3の表面上に形成されたダイヤモン
ド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜からなる振動助長膜
4を備えている。そして、圧電振動膜3を挟むように上
部電極2および下部電極5が設けられており、この上部
電極2および下部電極5は、それぞれ交流電源装置6に
接続されている。
【0013】上記の構造を有する超音波トランスデュー
サに、交流電源装置6から交流電圧が印加される。それ
により、圧電振動膜3に周期的な歪みが生じ、超音波が
発生する。このとき、圧電振動膜3の表面上には振動助
長膜4が形成されているため、両者は複合振動子として
一体となって振動することになる。そして、この場合振
動助長膜4として高音速材料(材料中最大)であるダイ
ヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜が用いられて
いるため、高周波の超音波を発生させることが可能とな
る。また、このダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状
炭素膜は、機械的強度も優れており、化学的にも安定で
あるため信頼性の高い超音波トランスデューサが実現す
る。
【0014】次に、図2を用いて、この発明に基づく超
音波トランスデューサの他の態様について説明する。図
2は、この発明に基づく他の態様における超音波トラン
スデューサ11の概略構成を概念的に示す図である。図
2を参照して、この超音波トランスデューサ11は、圧
電振動膜13に挟まれるように振動助長膜14が設けら
れている。そして、圧電振動膜13を挟むように上部電
極12および下部電極15が設けられており、この上部
電極12および下部電極15は、それぞれ交流電源装置
16に接続されている。このような構造を有する超音波
トランスデューサ11に交流電源装置16から交流電圧
が印加され、それにより超音波が発生する。この場合、
振動助長膜14を挟むように圧電振動膜13が設けられ
ており、3層構造の超音波振動子を形成しているため、
複雑な振動モードとなると考えられるが、振動助長膜1
4が優れた高音速材料であるため、高周波を発生させる
ことは可能となる。また、上記の場合は3層構造のもの
を例示したが、それ以上の多層構造のものであってもよ
い。それにより、上記の場合とほぼ同様の効果が得られ
る。
【0015】次に、この発明に基づいて考案された好ま
しい構造の超音波トランスデューサについて説明する。
図3は、この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサを示す断面図である。図3を参照して、こ
の超音波トランスデューサ21は、所定の形状になるよ
うに処理が施されたシリコン基板27上にダイヤモンド
膜あるいはダイヤモンド状炭素膜からなる振動助長膜2
4が形成されている。この振動助長膜24の膜厚は、好
ましくは、10μm〜100μm程度である。そして、
この振動助長膜24上の所定位置には、下部電極25が
形成されており、この下部電極25上の所定領域から振
動助長膜24上の所定領域にわたって圧電振動膜23が
形成されている。この圧電振動膜23の材質は、好まし
くは、ZnO,AlN,PbTiO3 ,Pb(Zr,T
i)O3 ,(Pb,La)(Zr,Ti)O3 ,LiT
aO3 ,LiNbO3 ,SiO2 ,Ta2 5 ,Nb2
5 ,BeO,Li2 4 7 ,ZnS,ZnSe,C
dSであり、この圧電振動膜23の膜厚は、好ましく
は、1μm〜50μm程度である。また、圧電振動膜2
3上の所定領域から振動助長膜24上の所定領域にわた
る領域上には、上部電極22が形成されている。
【0016】このように、振動助長膜24に接するよう
に圧電振動膜23を形成することにより、この圧電振動
膜23と振動助長膜24とが一体となって振動し、上述
したように、高周波の超音波を発生させることが可能と
なる。また、この振動助長膜24は、優れた高音速材料
であるため、他の材料を用いて所定の高周波の超音波を
発生させる場合に比べて、比較的大きな厚みを持たせる
ことが可能となる。それにより、機械的強度の優れた超
音波トランスデューサを提供することが可能となり、信
頼性の向上にもつながる。なお、この場合振動助長膜2
4と圧電振動膜23との合計膜厚を数μm〜数十μm程
度にすることによって、発振周波数が数百MHz〜数G
Hz程度のものを得ることができる。
【0017】次に、上記の構造を有する超音波トランス
デューサ21の製造方法について、図5〜図9を用いて
説明する。図5〜図9は、上記の超音波トランスデュー
サ21の製造工程の第1工程〜第5工程を示す断面図で
ある。
【0018】図5を参照して、シリコン基板27上に、
マイクロ波プラズマCVD法を用いて、膜厚10μm〜
100μm程度のダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド
状炭素膜24を形成する。その後、図6に示すように、
シリコン基板27を異方性エッチングすることによっ
て、シリコン基板27に凹部27aを形成する。このと
き、上記のダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素
膜24の下部表面の一部は露出している。
【0019】その後、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモ
ンド状炭素膜24上に、下部電極材料を蒸着させ、この
蒸着された下部電極材料をパターニングする。それによ
り、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜24
の一部表面を除く表面上に、下部電極25が形成され
る。その後、図8に示すように、下部電極25上の所定
領域からダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜
24上の所定領域にわたる領域に、スパッタリング法を
用いて、膜厚1μm〜50μm程度のC軸配向ZnO膜
を形成する。そして、このZnO膜を所望の形状になる
ように処理を施すことによって、圧電振動膜23が形成
される。その後、図9に示すように、圧電振動膜23上
の所定領域からダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状
炭素膜24上の所定領域にわたる領域に、上部電極材料
を蒸着させ、この蒸着された上部電極材料をパターニン
グすることによって、上部電極22が形成される。
【0020】次に、この発明に基づく他の実施例におけ
る超音波トランスデューサについて、図4を用いて説明
する。図4は、この発明に基づく他の実施例における超
音波トランスデューサを示す断面図である。図4を参照
して、超音波トランスデューサ31は、所定の形状に成
形されたシリコン基板37上にボロン(B)がドーピン
グされたダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜
からなる振動助長膜34が形成されている。この場合、
このダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜24
の膜厚は、好ましくは、10μm〜100μm程度のも
のである。そして、このダイヤモンド膜あるいはダイヤ
モンド状炭素膜34上の所定位置には、圧電振動膜33
が形成されている。この圧電振動膜33の材質は、好ま
しくは、ZnO,AlN,PbTiO3 ,Pb(Zr,
Ti)O3 ,(Pb,La)(Zr,Ti)O3 ,Li
TaO3 ,LiNbO3 ,SiO2 ,Ta2 5 ,Be
O,Li2 4 7 ,Nb2 5 ,ZnS,ZnSe,
CdSであり、この圧電振動膜33の膜厚は、好ましく
は、1μm〜50μm程度である。そして、この圧電振
動膜33の所定領域上からダイヤモンド膜あるいはダイ
ヤモンド状炭素膜34の所定領域上にわたる領域には、
上部電極32が形成されている。
【0021】この実施例の場合は、ダイヤモンド膜ある
いはダイヤモンド状炭素膜34にボロン(B)等をドー
ピングすることによって、このダイヤモンド膜あるいは
ダイヤモンド状炭素膜34に電極としての機能も付加し
ている。それにより、上記の実施例と同様に高周波を発
生させることができるとともに信頼性の高い超音波トラ
ンスデューサを実現することが可能となる。さらにダイ
ヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜34と圧電振
動膜3との接触面積を大きくすることができるため、よ
り高性能な複合振動子を形成することが可能となる。
【0022】次に、上記の構造を有する超音波トランス
デューサ31の製造方法について、図10〜図13を用
いて説明する。図10〜図13は、上記の超音波トラン
スデューサ31の製造方法における第1工程〜第4工程
を示す断面図である。
【0023】図10を参照して、シリコン基板37上
に、原料ガスとして水素、メタン、ジボラン(B
2 6 )を用いた低圧気相合成法によって、ボロン
(B)を含むダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭
素膜34を形成する。このとき、ダイヤモンド膜あるい
はダイヤモンド状炭素膜34の膜厚は、好ましくは、1
0μm〜100μm程度である。次に、図11を参照し
て、異方性エッチングを行なうことによって、シリコン
基板37をエッチングし、凹部37aを形成する。それ
により、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜
34の下部表面の一部は、露出している。
【0024】次に、図12に示すように、ダイヤモンド
膜あるいはダイヤモンド状炭素膜34上に、スパッタリ
ング法によって、C軸配向ZnO膜を形成し、このZn
O膜を所望の形状になるように処理した後、圧電振動膜
33が形成される。このとき、このZnO膜の膜厚は、
好ましくは、1μm〜50μm程度である。その後、図
13に示すように、この圧電振動膜33上およびダイヤ
モンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜34上に、上部
電極材料を蒸着させ、この蒸着された上部電極材料をパ
ターニングすることによって、上部電極32が形成され
る。
【0025】
【発明の効果】この発明によれば、数百MHz〜数GH
z程度の高周波を発生させ得る超音波トランスデューサ
を実現することが可能となる。さらに、ダイヤモンド膜
あるいはダイヤモンド状炭素膜は、機械的強度も大きく
化学的にも安定なため、機械的強度あるいは化学的安定
性にも優れた超音波トランスデューサを実現することが
可能となる。さらに、ダイヤモンド膜あるいはダイヤモ
ンド状炭素膜は、熱伝導性にも優れているため、発熱に
よる温度変化の影響をも受けにくいといえる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づく超音波トランスデューサの一
例を概念的に示す図である。
【図2】この発明に基づく超音波トランスデューサの他
の態様を概念的に示す図である。
【図3】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサを示す断面図である。
【図4】この発明に基づく超音波トランスデューサの他
の実施例を示す断面図である。
【図5】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサの製造工程における第1工程を示す断面図
である。
【図6】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサの製造工程における第2工程を示す断面図
である。
【図7】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサの製造工程における第3工程を示す断面図
である。
【図8】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサの製造工程における第4工程を示す断面図
である。
【図9】この発明に基づく一実施例における超音波トラ
ンスデューサの製造工程における第5工程を示す断面図
である。
【図10】この発明に基づく他の実施例における超音波
トランスデューサの製造工程における第1工程を示す断
面図である。
【図11】この発明に基づく他の実施例における超音波
トランスデューサの製造工程における第2工程を示す断
面図である。
【図12】この発明に基づく他の実施例における超音波
トランスデューサの製造工程における第3工程を示す断
面図である。
【図13】この発明に基づく他の実施例における超音波
トランスデューサの製造工程における第4工程を示す断
面図である。
【図14】従来の超音波トランスデューサの一例を示す
断面図である。
【図15】従来の超音波トランスデューサの改良例とな
る超音波トランスデューサを示す断面図である。
【符号の説明】
1,11,21,31,41,51 超音波トランスデ
ューサ 2,12,22,32,42,52 上部電極 3,13,23,33,43,53 圧電振動膜 4,14,24,34 振動助長膜 5,15,25,45,55 下部電極 6,16,46 交流電源装置 27,37,57 シリコン基板 57a ダイヤフラム部 58 酸化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H04R 17/00 330 H03H 3/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電材料からなる圧電体膜と、 前記圧電体膜上に形成され、前記圧電体膜と一体となっ
    て振動することによって超音波を発生させるためのダイ
    ヤモンド膜あるいはダイヤモンド状炭素膜からなる振動
    助長膜と、 前記圧電体膜に電圧を印加するために前記圧電体膜を挟
    むように設けられた第1および第2電極と、 を備えた超音波振動子。
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