JP4640249B2 - 超音波センサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサに関するものである。

従来、車両の障害物検知システム等に超音波センサが採用されている。このような超音波センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された圧電式の超音波センサが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に示される超音波センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板に薄肉部（半導体活性層と絶縁膜層）を形成し、強誘電体を２つの電極（上部電極、下部電極）で挟設する圧電振動子を、強誘電体の上下面に各電極が配置される態様で、薄肉部を覆うように形成してなるものである。すなわち、薄肉部と圧電振動子の形成部位は、半導体活性層、絶縁膜層、下部電極、強誘電体、上部電極の順で積層された所謂メンブレンとなっている。
特開２００３−２８４１８２号公報

ところが、特許文献１に示されるメンブレン構造の超音波センサにおいて、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体全体の、圧電振動子が振動しない状態の内部応力を圧縮応力とすると、坐屈が生じる。圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体の形状は、坐屈によってばらつく（再現性に乏しい）ため、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量にもばらつきが生じる（すなわちセンサ感度がばらつく）という問題がある。

そこで、メンブレン構造の超音波センサにおいては、一般的に、メンブレン構造体全体の、圧電振動子が振動しない状態の内部応力が引張乃至ゼロに調整される。これにより、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体がほぼ平坦に保たれ、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量ばらつきが低減される。しかしながら、内部応力を引張乃至ゼロとしているため、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量が小さい（すなわち、センサ感度が低い）という問題がある。

本発明は上記問題点に鑑み、センサ感度のばらつきを低減し、センサ感度を向上することができる超音波センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、一部に薄肉部が形成された基板と、薄肉部上に形成され、圧電体薄膜を２つの電極間に配置してなる圧電振動子と、を含み、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体が、所定周波数で共振するように構成された超音波センサであって、メンブレン構造体は、圧電振動子が振動しない状態の、構造体全体の内部応力が引張乃至ゼロに調整されており、薄肉部の一部に凹部が形成され、当該凹部の形成部位が他の部位よりも薄肉とされるとともに、基板の平面方向において、凹部に対応するメンブレン構造体の部位は、圧電振動子が振動しない状態の内部応力が圧縮に調整された圧縮応力部として構成され、基板の平面方向において、圧縮応力部と、圧縮応力部を除くメンブレン構造体の部位である非圧縮応力部とが、交互に形成され、非圧縮応力部として、基板の平面方向における薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部は、多重に形成されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、メンブレン構造体全体の、圧電振動子が振動しない状態の内部応力（以下単に内部応力と示す）を引張乃至ゼロに調整している。したがって、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体をほぼ平坦（坐屈を生じない状態）に保つことができるので、センサ感度のばらつき（超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量ばらつき）を低減することができる。

また、メンブレン構造体を構成する薄肉部の一部に凹部を形成し、凹部形成部位を薄肉部の他部位よりも薄肉としている。したがって、メンブレン構造体全体の内部応力が同じで、薄肉部の厚さが均一である構造に比べて、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、センサ感度を向上することができる。特に本発明では、凹部に対応するメンブレン構造体の部位が圧縮応力部として構成されるため、メンブレン構造体の変形量をより大きく（センサ感度をより向上）することができる。

なお、メンブレン構造体における１つの圧縮応力部の形成範囲が大きいと、坐屈が生じやすくなり、センサ感度のばらつきを低減する効果が小さくなる。これに対し、本発明では、基板の平面方向において、圧縮応力部と、圧縮応力部を除くメンブレン構造体の部位である非圧縮応力部（内部応力が引張乃至ゼロである部位）とを、交互に形成している。したがって、座屈を効果的に抑制することができる。また、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量は、基板の平面方向におけるメンブレン構造体（薄肉部）の中心ほど大きく、周囲ほど小さい。これに対し、本発明では、非圧縮応力部として、基板の平面方向における薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部が、多重に形成されている。したがって、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。

次に、請求項３に記載の発明は、一部に薄肉部が形成された基板と、薄肉部上に形成され、圧電体薄膜を２つの電極間に配置してなる圧電振動子と、を含み、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体が、所定周波数で共振するように構成された超音波センサであって、メンブレン構造体は、構造体全体の内部応力が引張乃至ゼロに調整されており、基板の平面方向において、メンブレン構造体の一部は、内部応力が圧縮に調整された圧縮応力部として構成され、基板の平面方向において、圧縮応力部と、圧縮応力部を除くメンブレン構造体の部位である非圧縮応力部とが、交互に形成され、非圧縮応力部として、基板の平面方向における薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部は、多重に形成されていることを特徴とする。

このように本発明においても、メンブレン構造体全体の内部応力を引張乃至ゼロに調整している。したがって、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体をほぼ平坦（坐屈を生じない状態）に保つことができるので、センサ感度のばらつき（超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量ばらつき）を低減することができる。

また、基板の平面方向において、メンブレン構造体の一部を、内部応力が圧縮に調整された圧縮応力部として構成している。したがって、メンブレン構造体の全域において内部応力が引張乃至ゼロである構造に比べて、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、センサ感度を向上することができる。

なお、メンブレン構造体における１つの圧縮応力部の形成範囲が大きいと、坐屈が生じやすくなり、センサ感度のばらつきを低減する効果が小さくなる。これに対し、本発明では、基板の平面方向において、圧縮応力部と、圧縮応力部を除くメンブレン構造体の部位である非圧縮応力部（内部応力が引張乃至ゼロである部位）とを、交互に形成している。したがって、座屈を効果的に抑制することができる。

また、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量は、基板の平面方向におけるメンブレン構造体（薄肉部）の中心ほど大きく、周囲ほど小さい。これに対し、本発明では、非圧縮応力部として、基板の平面方向における薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部が、多重に形成されている。したがって、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。

環状部としては、例えば請求項３に記載のように、同心円状に形成された構成を採用することもできる。また、請求項４に記載のように、圧電振動子が振動する際の、メンブレン構造体の変形形状に沿って形成された構成を採用することもできる。

また、請求項１〜４いずれかに記載の発明においては、請求項５に記載のように、非圧縮応力部として、同一平面において環状部と直交し、隣接する環状部間を連結する連結部を含む構成を採用しても良い。このように、非圧縮応力部の一部として連結部を形成することで、連結部のない構成に比べて、圧縮応力部による坐屈を抑制することができる。すなわち、センサ感度のばらつき低減により効果的である。さらには、請求項６に記載のように、連結部の少なくとも一部を、メンブレン構造体の端部まで形成すると、圧縮応力部による坐屈をより抑制することができる。

請求項１〜６いずれかに記載の発明においては、請求項７に記載のように、基板の平面方向において、圧縮応力部の幅と非圧縮応力部の幅を、それぞれメンブレン構造体の厚さ以上、厚さの３倍以下に設定すると良い。各幅を、メンブレン構造体の厚さ未満に設定すると、圧縮応力部の効果が無くなる。また、３倍を超える厚さとすると、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体の変形量（圧縮応力部（すなわち坐屈）による局所的な変形量）が、３倍以下に比べて大きくなる。したがって、上述の範囲内とすれば、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくし、センサ感度のばらつきを低減することができる。

例えば請求項８に記載のように、薄肉部は、内部応力が引張に調整された引張応力膜を含んでおり、引張応力膜に溝乃至貫通孔を形成することで、請求項１〜７いずれかに記載の発明を実現することができる。このように、引張応力膜の一部に、溝乃至貫通孔を形成することで、メンブレン構造体の内部応力を調整することができる。特に、溝乃至貫通孔を形成した引張応力膜の部位に対応するメンブレン構造体の部位を、圧縮応力部とすることができる。なお、請求項９に記載のように、薄肉部が、引張応力膜と、内部応力が圧縮に調整された圧縮応力膜とを積層してなる場合には、引張応力膜に形成された溝乃内至貫通孔内に、圧縮応力膜を配置しても良い。

請求項１０に記載のように、基板がシリコン基板を含む構成において、引張応力膜としてシリコン窒化膜が好適である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

図１に示すように、超音波センサ１００は、基板１１０と、基板１１０の薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、を含み、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体が、所定周波数で共振するように構成された超音波センサである。

本実施形態に係る基板１１０は、半導体基板１１１、第１酸化膜１１２、窒化膜１１３、及び第２酸化膜１１４とにより構成される。

具体的には、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用している。半導体基板１１１には、薄肉部１２０を構成するための孔部１１１ａが形成されており、孔部１１１ａの開口部位の一方を塞ぐ態様で、半導体基板１１１の一面上にエッチングストッパとしての第１酸化膜１１２が形成されている。

第１酸化膜１１２上には、窒化膜１１３としてのシリコン窒化膜が形成されている。なお、シリコン窒化膜の内部応力（膜応力）は、圧電振動子１３０が振動しない（超音波を受信しない、又は、超音波を送信するための駆動電圧が印加されない）状態で、引張応力であることが知られている。また、シリコン酸化膜の圧電振動子１３０が振動しない状態の内部応力（以下単に内部応力と示す）は、圧縮応力であることが知られている。

本実施形態においては、窒化膜１１３が、薄肉部１２０の形成領域（メンブレン構造体の構成領域）において、第１酸化膜１１２上に部分的に形成されている。そして、窒化膜１１３及び薄肉部形成領域における窒化膜間の第１酸化膜１１２を被覆するように、第２酸化膜１１４としての保護用のシリコン酸化膜が形成されている。これにより、基板１１０の平面方向において、窒化膜１１３の形成されたメンブレン構造体の部位が、内部応力が引張の引張応力部（特許請求の範囲に示す非圧縮応力部に相当）、窒化膜１１３の形成されないメンブレン構造体の部位が、内部応力が圧縮の圧縮応力部とされている。また、第１酸化膜１１２、窒化膜１１３、及び第２酸化膜１１４によって、薄肉部全体、ひいてはメンブレン構造体全体の内部応力が圧縮応力に調整されている。

より具体的には、図２に示すように、基板１１０の平面方向において、略正方形の薄肉部１２０の形成領域（破線で囲まれた領域に対し、窒化膜１１３が、薄肉部１２０の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部が、多重に形成された構成とされた同心円状に形成されている。また、基板１１０の平面方向において、隣接する環状の窒化膜間の間隔（すなわち、窒化膜間に配置された第２酸化膜１１４の幅）と環状の窒化膜１１３の幅がほぼ等しく、各幅がメンブレン構造体の厚さ以上、厚さの３倍以下となるように調整されている。

また、薄肉部１２０は、半導体基板１１１に形成された孔部１１１ａ上の第１酸化膜１１２、窒化膜１１３、及び第２酸化膜１１４により構成されており、その厚さは基板１１０の平面方向において均一ではなく、窒化膜１１３ない部分が窒化膜１１３のある部分に対して薄肉（凹）となっている。

圧電振動子１３０は、強誘電体である圧電体薄膜１３１を２つの電極１３２，１３３間に配置してなるものである。本実施形態においては、薄肉部１２０を覆うように、第２酸化膜１１４上に、下部電極１３２、圧電体薄膜１３１、上部電極１３３の順で積層配置されている。圧電体薄膜１３１の構成材料としては、ＰＺＴや窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。また、電極１３２，１３３の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。本実施形態においては、圧電体薄膜１３１の構成材料としてＰＺＴを採用し、電極１３２，１３３の構成材料として、Ｐｔを採用している。なお、図１に示す符号１３２ａ，１３３ａは、それぞれパッドである。

このように構成される超音波センサ１００の例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図３は、超音波センサ１００の製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ），（ｂ）は基板形成工程、（ｃ）は圧電素子形成工程、（ｄ）メンブレン形成工程を示している。

先ず、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、図３（ａ）に示すように、半導体基板１１１の表面に、第１酸化膜１１２としてのシリコン酸化膜を熱酸化によって形成する。その際、熱酸化によって、第１酸化膜形成面の裏面にも、シリコン酸化膜１１５が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．３μｍ程度の第１酸化膜１１２を形成する。第１酸化膜形成後、ＬＰＣＶＤ法を用いて、第１酸化膜１１２上に、窒化膜１１３としてのシリコン窒化膜を形成する。その際、シリコン酸化膜１１５上にも、シリコン窒化膜１１６が形成される。本実施形態においては、窒化膜１１３の形成にＬＰＣＶＤ法を採用することで、厚さ０．３μｍ程度のストイキオメトリックな組成（Ｓｉ_３Ｎ_４）の窒化膜１１３を形成する。

しかしながら、ストイキオメトリックな組成では膜厚を厚くすることができない（例えば１．２ＧＰａ、厚さ０．４μｍで破壊する）。したがって、例えばシリコンリッチな組成の窒化膜を形成しても良い。同じ厚さであればストイキオメトリックな組成に比べて内部応力（膜応力）が低下するものの、ストイキオメトリックな組成よりも厚く形成することができる。したがって、組成と膜厚によって、窒化膜１１３の内部応力を所望の引張応力に調整することができる。

次に、形成された窒化膜１１３をのうち、不要部（圧縮応力部に相当）を例えばドライエッチングにより除去し、図３（ｂ）に示すように、所定パターンにパターニングする。これにより、メンブレン構造体（薄肉部１２０）形成領域において、窒化膜１１３を含む引張応力部と圧縮応力部が構成されることとなる。なお、本実施形態においては、同心円状の引張応力部に対応する窒化膜１１３の幅を３．０μｍ程度、隣接する窒化膜１１３の間隔を３．０μｍ程度としている。窒化膜１１３のパターニング後、窒化膜１１３及び窒化膜間の第１酸化膜１１２上に、第２酸化膜１１４としてのシリコン酸化膜をプラズマＣＶＤ法により形成する。なお、本実施形態においては、厚さ０．３μｍ程度の第２酸化膜１１４を形成する。以上により、孔部１１１ａ（薄肉部１２０）が形成される前の基板１１０が準備される。

第２酸化膜１１４形成後、第２酸化膜１１４上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、図３（ｃ）に示すように、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた下部電極１３２が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の下部電極１３２を形成する。下部電極１３２形成後、下部電極１３２上に、圧電体薄膜１３１としてのＰＺＴ膜を、薄肉部１２０を覆うように、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、スパッタ法を用いて、厚さ１．０μｍ程度の圧電体薄膜１３１を形成する。圧電体薄膜１３１形成後、圧電体薄膜１３１上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた上部電極１３３が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の上部電極１３３を形成する。以上により、圧電振動子１３０が形成でき、本実施形態では圧電振動子１３０の内部応力はほぼゼロで形成されている。しかしながら、本実施形態に示すように圧電振動子１３０の内部応力がゼロとはならず、圧縮又は引張応力となる場合がある。そのときには、圧電振動子１３０の内部応力に対して、薄肉部１２０を好適に調整する、即ち圧電振動子１３０の内部応力を相殺する内部応力を付加することで、メンブレン構造体の内部応力を調整することができる。

圧電振動子１３０形成後、図３（ｃ）に示すように、半導体基板１１１の裏面を研削・研磨し、シリコン酸化膜１１５及びシリコン窒化膜１１６を除去する。その後、図３（ｄ）に示すように、半導体基板１１１の裏面にシリコン窒化膜１１７をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部１２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜１１７を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、半導体基板１１１の裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、半導体基板１１１を異方性エッチングする。これにより、半導体基板１１１に孔部１１１ａが形成され、図１に示す超音波センサ１００が形成される。

次に、本実施形態に係る超音波センサ１００の効果について、図４を用いて説明する。図４は、超音波センサ１００の効果を示す模式図である。なお、図４においては、比較例として、圧縮応力部の形成されない（薄肉部形成領域全面に膜厚をほぼ均一とする窒化膜１１３が形成された）構造の超音波センサにおける、変形量を破線で示している。

上述したように、本実施形態に係る超音波センサ１００は、メンブレン構造体全体の内部応力が引張応力に調整されている。したがって、圧電振動子１３０が振動しない状態のメンブレン構造体を、図４に示すように、構造体全体としてはほぼ平坦（部分的には坐屈を生じるものの、構造体全体としては坐屈を生じない状態）に保つことができる。すなわち、センサ感度のばらつき（超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量ばらつき）を低減することができる。言い換えれば、メンブレン構造体全体が圧縮応力に調整された超音波センサに比べて、圧電振動子１３０が振動しない状態の、メンブレン構造体の形状ばらつきが小さい（再現性がある）。

また、本実施形態に係る超音波センサ１００は、メンブレン構造体の一部（薄肉部１２０の一部）として圧縮応力部を有している。このように、圧縮応力部を備えると、提灯やアコーディオンのように、変形代（延び代）が大きくなる。したがって、メンブレン構造体全体の内部応力が同じでも、図４に示すように、圧縮応力部の形成されない構造の超音波センサに比べて、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、センサ感度を向上することができる。特に本実施形態においては、圧縮応力部の形成部位の厚さが、引張応力部の形成部位の厚さよりも薄く設定されている。したがって、圧縮応力部の厚さが引張応力部と等しく設定された構造に比べて、圧縮応力部の剛性が低く、変形量をより大きくすることができる。

なお、引張応力部にて区画された１つの圧縮応力部の形成範囲が大きいほど、坐屈が生じやすくなり、センサ感度のばらつきを低減する効果が小さくなる。これに対し、本実施形態においては、メンブレン構造体（薄肉部１２０）の形成領域において、窒化膜１１３を同心円状とし、圧縮応力部と引張応力部を交互に配置することで、坐屈できる範囲（すなわち圧縮応力部の形成範囲）を制限している。すなわち、交互に配置された引張応力部によって、圧電振動子１３０が振動しない状態の、メンブレン構造体の形状再現性を確保しつつ、圧縮応力部によって、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくしている。

また、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量は、基板１１０の平面方向におけるメンブレン構造体の中心ほど大きく、周囲ほど小さい。したがって、同心円状のように、引張応力部として、薄肉部１２０の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、環状部が、多重に形成された構成を採用すると、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量をより大きくすることができる。

なお、基板１１０の平面方向における引張応力部の形状としては、同心円状以外にも、例えば図５に示すように、圧電振動子１３０が振動する際の、メンブレン構造体の変形形状に沿って環状部が形成された構成を採用することもできる。本実施形態に示すように、薄肉部１２０（メンブレン構造体）の形状が略正方形の場合、中心から外周方向に向かうにしたがい、メンブレン構造体は同心円状から矩形状に変化する。したがって、図５に示すような構成を採用すると、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量をさらに大きくすることができる。図５は主要部の変形例を示す断面図であり、図２に対応している。

また、本実施形態においては、基板１１０の平面方向において、環状に構成される引張応力部の幅（３．０μｍ）と、引張応力部間に配置される圧縮応力部の幅（３．０μｍ）が、それぞれメンブレン構造体の厚さ（２．４μｍ）以上厚さの３倍以下となるように設定される例を示した。各幅を、メンブレン構造体の厚さ未満に設定すると、図６（ｂ）に示すように、圧縮応力部の変形代の効果が無くなり、超音波を受信（又は送信）する際の、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができない。また、３倍を超える厚さとすると、図６（ｂ）に示すように、圧電振動子１３０が振動しない状態のメンブレン構造体の変形量（圧縮応力部（すなわち坐屈）による局所的な変形量）が、３倍以下に比べて大きくなる。したがって、上述の範囲内とすれば、超音波を受信（又は送信）する際のメンブレン構造体の変形量を大きくし、センサ感度のばらつきを低減することができる。図６は各応力部の幅と、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体の最大変形量（局所的な最大坐屈量）との関係を示す図であり、（ａ）は最大変形量を説明するための模式図、（ｂ）はシミュレーション結果である。

なお、本実施形態においては、環状に構成される引張応力部の幅と、引張応力部間に配置される圧縮応力部の幅がほぼ等しく設定される例を示した。しかしながら、各幅が異なる構成としても良い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサ１００のうち、主要部の概略構成を示す断面図である。なお、図７は、第１実施形態に示す図２に対応している。

第２実施形態に係る超音波センサ１００は、第１実施形態に係る超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第１実施形態においては、基板１１０の平面方向において、メンブレン構造体を構成する引張応力部を、同心円状（薄肉部１２０の中心を中心とする回転対称な環状部が多重に形成されてなる形状）に形成する例を示した。これに対し、本実施形態においては、引張応力部として、上述した環状部だけでなく、同一平面において環状部と直交し、隣接する環状部間を連結する連結部を含む点を特徴とする。

具体的には、図７に示すように、メンブレン構造体の形成領域において、引張応力部を構成する窒化膜１１３が、メンブレン構造体の変形形状に沿って多重に形成され、薄肉部１２０の中心を中心とする回転対称な環状部（図５参照）と、略正方形のメンブレン構造体（薄肉部１２０）の対角線に沿って形成された連結部１１３ａ（メンブレン構造体の連結部に対応）とにより構成される。そして、この連結部１１３ａによって、隣接する環状部が部分的に連結されている。

このように、引張応力部の一部として連結部を形成することで、連結部のない構成に比べて、圧電振動子１３０の振動子ない状態における圧縮応力部による坐屈を抑制することができる。すなわち、センサ感度のばらつきをより第１実施形態に示した構成よりも低減することができる。特に本実施形態においては、連結部の少なくとも一部を、メンブレン構造体の端部まで形成している。したがって、圧縮応力部による坐屈をより抑制することができる。

なお、本実施形態においては、略正方形のメンブレン構造体（薄肉部１２０）の対角線に沿って、引張応力部を構成する連結部（窒化膜１１３の連結部１１３ａ）が形成される例を示した。しかしながら、連結部の配置は上記例に限定されるものではない。少なくとも、隣接する環状部間を部分的に連結するものであれば良い。例えば、図８に示すように、基板１１０の平面方向において、略正方形の各辺の中点を繋ぐ線に沿って連結部（窒化膜１１３の連結部１１３ａ）を形成しても良い。図８は主要部の変形例を示す断面図であり、図２に対応している。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、基板１１０としてシリコンからなる半導体基板１１１を採用する例を示した。このように半導体基板１１１を用いると、一般的な半導体製造技術により、低コストで製造することができる。しかしながら、上記以外にも、ＳＯＩ構造の半導体基板や、半導体基板以外の材料からなる基板を採用することも可能である。

また、本実施形態においては、内部応力が引張応力である窒化膜１１３の有無によって、引張応力部と圧縮応力部を区別する例を示した。しかしながら、引張応力膜は窒化膜に限定されるものではない。また、引張応力膜の有無ではなく、引張応力膜の厚さによって、引張応力部と圧縮応力部を区別しても良い。

また、本実施形態においては、メンブレン構造体全体の内部応力が引張応力に調整される例を示した。しかしながら、内部応力のない状態（すなわちゼロ）に調整されても良い。

本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 超音波センサの製造方法を示す工程別の断面図であり、（ａ），（ｂ）は基板形成工程、（ｃ）は圧電素子形成工程、（ｄ）メンブレン形成工程を示している。 超音波センサの効果を示す模式図である。 主要部の変形例を示す断面図である。 各応力部の幅と、圧電振動子が振動しない状態のメンブレン構造体の最大変形量（局所的な最大坐屈量）との関係を示す図であり、（ａ）は最大変形量を説明するための模式図、（ｂ）はシミュレーション結果である。 本発明の第２実施形態に係る超音波センサのうち、主要部の概略構成を示す断面図である。 主要部の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１００・・・超音波センサ
１１０・・・基板
１１１・・・半導体基板
１１２・・・第１酸化膜
１１３・・・窒化膜
１１４・・・第２酸化膜
１２０・・・薄肉部
１３０・・・圧電振動子
１３１・・・圧電体薄膜
１３２・・・下部電極
１３３・・・上部電極

Claims (10)

1. 一部に薄肉部が形成された基板と、
   前記薄肉部上に形成され、圧電体薄膜を２つの電極間に配置してなる圧電振動子と、を含み、
   前記薄肉部と前記圧電振動子からなるメンブレン構造体が、所定周波数で共振するように構成された超音波センサであって、
   前記メンブレン構造体は、前記圧電振動子が振動しない状態の、構造体全体の内部応力が引張乃至ゼロに調整されており、
   前記薄肉部の一部に凹部が形成され、当該凹部の形成部位が他の部位よりも薄肉とされるとともに、前記基板の平面方向において、前記凹部に対応する前記メンブレン構造体の部位は、前記圧電振動子が振動しない状態の内部応力が圧縮に調整された圧縮応力部として構成され、
   前記基板の平面方向において、前記圧縮応力部と、前記圧縮応力部を除く前記メンブレン構造体の部位である非圧縮応力部とが、交互に形成され、
   前記非圧縮応力部として、前記基板の平面方向における前記薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、
   前記環状部は、多重に形成されていることを特徴とする超音波センサ。
2. 一部に薄肉部が形成された基板と、
   前記薄肉部上に形成され、圧電体薄膜を２つの電極間に配置してなる圧電振動子と、を含み、
   前記薄肉部と前記圧電振動子からなるメンブレン構造体が、所定周波数で共振するように構成された超音波センサであって、
   前記メンブレン構造体は、前記圧電振動子が振動しない状態の、構造体全体の内部応力が引張乃至ゼロに調整されており、
   前記基板の平面方向において、前記メンブレン構造体の一部は、前記圧電振動子が振動しない状態の内部応力が圧縮に調整された圧縮応力部として構成され、
   前記基板の平面方向において、前記圧縮応力部と、前記圧縮応力部を除く前記メンブレン構造体の部位である非圧縮応力部とが、交互に形成され、
   前記非圧縮応力部として、前記基板の平面方向における前記薄肉部の中心を中心とする回転対称な環状部を含み、
   前記環状部は、多重に形成されていることを特徴とする超音波センサ。
3. 前記環状部は、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
4. 前記環状部は、前記圧電振動子が振動する際の、前記メンブレン構造体の変形形状に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波センサ。
5. 前記非圧縮応力部として、同一平面において前記環状部と直交し、隣接する前記環状部間を連結する連結部を含むことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の超音波センサ。
6. 前記連結部の少なくとも一部は、前記メンブレン構造体の端部まで形成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。
7. 前記基板の平面方向において、前記圧縮応力部の幅と前記非圧縮応力部の幅が、それぞれ前記メンブレン構造体の厚さ以上、厚さの３倍以下に設定されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の超音波センサ。
8. 前記薄肉部は、前記圧電振動子が振動しない状態の内部応力が引張に調整された引張応力膜を含み、
   前記引張応力膜の一部に溝乃至貫通孔が形成され、前記溝乃至貫通孔が形成された引張応力膜の部位に対応する前記メンブレン構造体の部位が前記圧縮応力部とされていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の超音波センサ。
9. 前記薄肉部は、前記引張応力膜と、前記圧電振動子が振動しない状態の内部応力が圧縮に調整された圧縮応力膜とを積層してなり、
   前記引張応力膜に形成された前記溝乃内至前記貫通孔内に、前記圧縮応力膜が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波センサ。
10. 前記基板は、シリコン基板を含み、
    前記引張応力膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の超音波センサ。

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