JP5676255B2 - 存在検出のための薄膜検出器 - Google Patents

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Description

本システムは、対象物の速度、位置及び／又は数のようなさまざまなパラメータの決定、並びに無生物及び生きた対象物を含む、対象物の存在及び／又は及びリアルタイム・イメージング、動き検出のため、薄膜超音波トランスデューサ及びアレイを含む超音波トランスデューサを使用して、存在検出、動き検出及びリアルタイム・イメージングなどのためのトランスデューサに関する。
トランスデューサは、動き及び存在検出のためのセンサのような広いアプリケーションを見出している。主な推進因子は、ランプ寿命を増大するだけでなく、必要に応じてライトをオン／オフしてオフィスビル及び家のエネルギを節約することである。動き／存在検出センサ市場は、急速に成長すると推定される。この成長領域で、誤った検出又はトリガーが最小限のコンパクト、低コスト及び薄型（ほとんど見えない）センサが所望される。斯様なセンサは、例えば部屋の中の人々の動きの検出及び動きの方向だけでなく、部屋の中の人々の数及び位置の検出を可能にするために、より知的であることが更に望ましい。さらにまた、無線動作を可能にするため低電力で動作するトランスデューサも妥当である。
超音波トランスデューサは、例えば都市、ビルディング、通りなどで、例えば局地的に調光し、又はライトをオンオフするため、屋外制御のような他のアプリケーションのためのセンサとしても魅力的である。これらは、自動的に監視デバイスのスイッチを入れる、侵入者検出のためにも適用できる。
電流動きセンサは、焦電セラミック・デバイスに基づく、セラミック超音波動き検出器及び受動的な赤外線（ＩＲ）検出器を含む。斯様な従来の赤外線デバイスは、非常に大きくて、部屋の天井に典型的に取り付けられる。クレーらによる特許文献独国ＤＥ４２１８７８９は、マイクロ機械加工された焦電検出器を開示していて、参照により完全にここに組み込まれる。ＩＲセンサは、受け取った赤外線エネルギの変化から、移動する人又は人間の動きを検出する。これらの焦電ＩＲ検出器の不利な点は、明確で妨害されるべきでない適当な検出のための視線のニーズを含む。更に、ＩＲ検出器は、直射的な日光及び環境照明の変化により容易に妨げられ、煙及び熱に敏感であり、よって誤警報を提供してしまう。
誤警報又はトリガーを最小化するために、超音波トランスデューサが受動的な赤外線検出器の隣に取り付けられて、焦電受動的な検出器と超音波検出器との組合せが使われる。斯様な複合デバイスは、典型的ＩＲ検出器よりさらに大きくなり、直径１１ｃｍ及び高さ３．５ｃｍの典型的サイズを持つ。図１は、典型的トランスデューサの放射パターン１００を示す。図１に示されるように、概して、トランスデューサは、かなり狭いビーム１１０を伝送し、よって、大きな見えない領域１２０、１３０を持つ。
見えない領域を低減するか又は除去するために、トランスデューサアレイが供給され、ここで当該アレイのトランスデューサ又は各素子からの信号が、当該アレイから伝送される超音波ビームを成形しステアリングするために個別に制御される。これは、例えば、部屋又は領域を通じてスキャンすることで人々の位置を検出することを可能にする。トランスデューサアレイを使用して、ビームをフォーカスさせることも可能であり、これは解像度及びＳＮ比を改善する。超音波アレイは、付随する電子回路を用いて、超音波画像を検出して形成することも可能にする。
斯様な超音波センサは、乗客の有無の検出に依存して乗客エアバッグのオン／オフ動作をするための車両のエアバッグ制御も想定されている。トランスデューサの他のアプリケーションは、距離を測定することを含む。加えて、斯様なトランスデューサは、エアバッグのオン／オフ動作のため、乗客占有センサのような自動車目的のためにも興味がありえる。更に、超音波トランスデューサは、電子的にステアリングされた超音波ビームが対象物の範囲、角度範囲及び角度方向を測定するために使われる、グアルティエーリによる米国特許第６，５４９，４８７号に説明されているように、衝突防止又は保護システムでも用いられ、この特許は参照により完全にここに組み込まれる。超音波受信器は、斯様な対象物の範囲、広さ、サイズ及び方向のような情報を決定する処理のため対象物から反射される音響波を受信する。これらのシステムは、別々の単一のトランスデューサから典型的に作られる。
シリコン・ダイアフラム上の圧電超音波センサは、「相補的ピエゾ電気分極による絞りタイプの超音波センサの感度改善」（ヤマシタ）と名付けられたヤマシタカオルによる論文に記載されているように、知られていて、この論文は参照により完全にここに組み込まれる。更に、参照によりここに完全に組み込まれる「空気内の超音波センサ」という題名のバレンティンマゴリによる論文は、対象物から反射されるエコーに基づく距離の検出及び対象物認識のために、放射されるビームの電子的ステアリングを備えたフェーズアレイとして動作される圧電超音波トランスデューサを含む知的な超音波センサを説明する。
ヤマシタの論文に注記されているように、空気伝播超音波を使用する３次元画像装置は、車両制御、自主的なロボットのための対象物検出、並びに視力障害者及び点検ロボットの活動サポート用に使用される。注記されているように、空気の超音波測定値は、超音波の適切な低伝播速度のため２、３メートル未満の範囲では、正確な距離測定のミリ波及び光を含む電磁波に対抗する効果を持つ。
両方とも譲受人に譲渡されたクレーらによる米国特許第６，５１５，４０２号及び第６，５４８，９３７号は、各内容が参照により完全にここにて組み込まれ、ヤマシタにも記載されているように電極が圧電層の両側、又は一方の側にある超音波トランスデューサのアレイを記載する。斯様なトランスデューサは、開口部を形成するためにマイクロ機械加工される基板を持つ。
図２Ａは、米国特許第６，５４８，９３７号にて説明されているようなシリコン基板２１０上に膜２２０が形成される当該シリコン基板２１０を持つ超音波トランスデューサ２００を示す。ＴｉＯ２層のようなバリア構造体２３０が、膜２２０の上に形成される。圧電層２４０が、障壁層２３０の上に形成される。第１及び第２の電極２５０、２５５は、圧電層２４０の横方向に分極された動作のため圧電層２４０の横方向の両端に配される。更に、基板２１０の一部は、圧電層２４０及び電極２５０、２５５に関して適当な位置で、膜２２０を露出させるための開口部２６０をつくるために除去される。斯様な超音波トランスデューサのアレイを製造するために、いくつかの開口部が、１枚のシリコン基板上にいくつかの膜の作成のため生成される。開口部２６０により露出される膜２２０は、この開口部２６０のため（例えば、ＡＣ電圧の印加の際）振動できる。
特に、第１及び第２の電流供給コンタクト２７０、２７５を通って電極２５０、２５５へのＡＣ電圧の印加は、圧電層２４０を当該圧電層２４０の面の縦方向の振動へと励起させる。圧電素子の長さの変化は、膜２２０を振動へと励振させる。電極２５０、２５５は、図２Ｂで示されるインターデジタル型電極２５０、２５５でもよい。
図２Ｃは、米国特許第６，５１５，４０２号及びヤマシタの論文にて説明されているような、電極２５０'、２５５'が圧電層２４０の両面上に形成される超音波トランスデューサ２００'を示す。図２Ａ、２Ｃに示されるトランスデューサ２００、２００'両方は、バルクマイクロマシニング技術、又はパターンリソグラフなどによって基板２１０の一部を除去することにより、適当な位置で開口部２６０を作ることを必要とし、このことは、時間がかかり、斯様なトランスデューサアレイを製造するコストを増大させる。更に、基板は適当な位置で開口部をつくるために位置合わせさせなければならず、このことが更にエラーを導くだけでなく、製造時間及びコストを増大させ、よって歩留まりを低下させる。加えて、ヤマシタの論文に説明されるように、ＳＯＩ（絶縁物上のシリコン）ウェーハが典型的に使われ、これは比較的高価であり、ここで、膜はシリコン（２μｍ）及びシリコン酸化物（０．４μｍ）から形成される。
電界が、図２Ｃの２つの対向する電極２５０'、２５５'の間にあることに留意されたい。この電界は、圧電層に対して垂直である。対照的に、図２Ａの２本の隣接する電極２５０、５７５間の電界は、圧電層２４０の面内にあるか、又は、当該面に平行である。図２Ｂに示されるように典型的にインターデジタルである、密接に間隔を置いた電極を供給することにより、各膜のためちょうど２つの電極でより少なめの電圧が、所望の電界を生じるために必要とされる。
もちろん、イメージングのための空中超音波を使用することに加えて、超音波は、流体及び固体においても適用され、医学音波ホログラフィ及び潜水イメージングのようなイメージングのためにも使われ、ここで、参照により完全にここに組み込まれるバーンスタインによる米国特許第６、３２３、５８０号に記載されている（以下バーンスタインと呼ぶ）ように、薄いフェロフィルムが用いられる。バーンスタインにおいては、インターデジタル電極は、シリコン膜の構造体層にのるＡｌ２Ｏ３の絶縁体層の上に形成されるフェロダイアフラムの一方の上にだけ形成される。前記シリコン膜は、シリコン基板の上に形成されるＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４のエッチストップ層にのる。前記シリコン基板は、シリコン膜の下に開口部を形成するように選択的にエッチングされる（ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４エッチストップ層まで）。付加的なＡｌ２Ｏ３層が適用されるだけでなく、高価なＳＯＩウェーハ技術が用いられ、更に処理時間及びコストが増大することに留意されたい。図２Ａ、２Ｂに関連して説明される開口部２６０と同様に、バーンスタインの開口部も、例えば２サイドリソグラフィ及び位置合わせが、例えば、電極の下の所望の位置で開口部を適切に供給する必要があるエッチング及びマイクロ機械加工によるような、選択的な基板除去から形成されるので、コストは更に増大される。
他のマイクロ機械加工されたトランスデューサはジーホンワンらによるタイトル「圧電マイクロ機械加工された超音波発信器の超音波放射パフォーマンス」（ワンと呼ぶ）という論文に記載されていて、参照により完全にここに組み込まれる。このトランスデューサも、基板内に位置合わせされた開口部を形成するため、基板位置合わせ及びマイクロ機械加工を必要とする。ワンの論文において、膜は、Ｓｉ３Ｎ４膜とＳｉ基板との間に形成されたＳｉＯ２エッチングストップ層で、Ｓｉ３Ｎ４で形成される。
従って、より薄くて、大きくなく、可撓性であって、減少したステップ及び／又は減少した位置合わせ要件によってより高価でなく、製造がより容易であるがなお高い電気音響パフォーマンスを持つ改良型ミニチュア・センサのためのニーズがある。赤外線の検出のような他の機能も統合することが、更なる小型化さえ可能にするだろう。
ここに提示されるシステム及び方法の一つの目的は、超音波及び／又は赤外線信号を検出するための複合超音波及び焦電検出器を持つセンサを供給することを含んで、従来のセンサの不利な点を克服することである。
例示的実施例によると、ドップラー効果を用いて、例えば無生物の及び生きた対象物を含む対象物の存在又は動き検出、並びに対象物の速度、動きの方向、位置及び／又は数のようなさまざまなパラメータの決定のために、例えば、流体及び固体だけでなく空中のリアルタイム・イメージングのために用いられる、トランスデューサ及びトランスデューサのアレイが供給される。一つの実施例において、トランスデューサは、前部基板の上に形成される膜を有し、圧電層が、能動的な部分及び当該能動的な部分に隣接する周辺部分で前記膜の上に形成される。必要に応じて、前記圧電層はパターニングされる。第１及び第２の電極を含むパターニングされた導電層は、圧電層の上に形成される。更に、能動的な部分に隣接する周辺部分に位置される支持体を持つ後部基板構造が供給される。前記支持体の高さは、パターニングされた圧電層及びパターニングされた導電層を合わせた高さより大きい。多くのトランスデューサは、アレイを形成するために接続され、ここで例えば、コントローラが、存在検出若しくは動き検出及び／又はイメージングのため、アレイのビームをステアリングするなどのようなアレイを制御し、アレイにより受信された信号を処理するために供給される。
各種センサは、何れかの所望の形状に形成される可撓性センサを形成するために、可撓性フォイル上に供給される。更に、異なるタイプのセンサ又は検出器は、組み合わされ又は一体化されて、超音波及び／又は赤外線信号を検出するための複合超音波及び焦電検出器を含む複数センサのような単一のマルチセンサでもよい。センサは、動き検出又は存在検出だけでなくイメージング（超音波及び／又はＩＲイメージング）のようなさまざまなアプリケーションで用いられ、ここで超音波センサは、超音波及び／若しくはＩＲ信号の伝送並びに／又は受信を含む、動作のための視線を必要とするＩＲセンサとは対照的に、動作のための視線を必要としない。
本システム及び方法の適用性の更なる領域は、以下に供給される詳細な説明から明らかになるだろう。詳細な説明及び具体例は、システム及び方法の例示的実施形態を示すが、説明の目的のみに意図されて、本発明の範囲を制限することを意図しないことは理解されるべきである。
本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び効果は、以下の説明、請求項及び図面からよく理解されるだろう。
図１は、典型的トランスデューサの放射パターンの測定値を示す。 図２Ａ〜２Ｃは、バルクのマイクロ機械加工で実現される従来のセンサを示す。 図３は、本システムの一つの実施例によるトランスデューサのアレイを示す。 図４Ａ、４Ｂは、本システムの一つの実施例による一方の側上に電極を持つトランスデューサを示す。 図５は、本システムの一つの実施例による他方の側上に電極を持つトランスデューサを示す。 図６は、本システムの一つの実施例による後部基板を持つトランスデューサのアレイを示す。 図７は、本システムの一つの実施例によるインターデジタル電極を持つトランスデューサのアレイを示す。 図８Ａ〜８Ｃは、本システムの一つの実施例によるマウントで支えられた後部基板を持つトランスデューサを示す。図８Ｄは、本システムの一つの実施例による抵抗付勢ネットワークを示す。 図９は、本システムの一つの実施例によるトランスデューサの電気的インピーダンス対周波数のプロット線を示す。 図１０は、本システムの一つの実施例による相互接続で可撓性フォイルの上にトランスデューサの可撓性アレイを形成する２つの超音波トランスデューサを示す。 図１１は、本システムの一つの実施例による電子部品を持った又は持たないシリコンパーツ上にマウントされる、上側に薄膜圧電素子を具備してトランスデューサの可撓性のアレイを形成する可撓性層相互接続で両側がカバーされる２つの超音波トランスデューサデバイスを示す。 図１２は、本システムの一つの実施例による２つ以上の超音波トランスデューサの可撓性アレイを示す。 図１３Ａ〜１３Ｃは、本システムの一つの実施例による基板上の別個にマウントされた回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。 図１４Ａ〜１４Ｃは、本システムの一つの実施例によるフリップチップマウント又はワイヤボンディングによりマウントされる回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。 図１５Ａ〜１５Ｃは、本システムの一つの実施例による一体化された回路を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。 図１６Ａ〜１６Ｃは、本システムの一つの実施例による圧電領域の両側上に電極を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。 図１７Ａ〜１７Ｃは、本システムの一つの実施例による種々異なってドーピングされた圧電領域を持つ超音波トランスデューサ及び焦電トランスデューサの組合せを含むアレイを示す。
以下は、図面を参照しながら、上記の特徴及び効果などを示す実施例の説明である。以下の説明では、限定的というよりもむしろ説明のために、アーキテクチャ、インタフェース、技術、要素の属性等の例示的な詳細が記載される。しかしながら、これらの詳細から離れる他の実施例が添付の請求項の範囲内であると依然理解されることは、当業者にとって明らかである。
したがって、特定の例示的実施形態の以下の説明は、単に現実には例示的であって、決して本発明、そのアプリケーション又は使用を制限することを意図するわけではない。本システム及び方法の実施例の以下の詳細な説明において、説明の一部を形成する図面が参照され、これらの図面は説明されるシステム及び方法が実践される例示的な特定の実施例を介して示される。これらの実施例は、本開示のシステム及び方法を当業者が実施できるために充分詳細に説明されていて、他の実施例が利用されたり、構造的及び論理的変更が本システムの精神及び範囲から逸脱することなくなされることは理解されるべきである。
従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味にとられるべきでなく、本システムの範囲は添付の請求項によってのみ定められる。複数の図に現れる同一の部品が同じ参照符号により識別されるという例外を持って、本願明細書の図の参照符号の先頭の桁は、概して図の番号に対応する。さらに、明快さのために、良く知られたデバイス、回路及び方法の詳細な説明は、本システムの説明を明確にするために省略されている。
圧電薄膜トランスデューサ及びトランスデューサアレイを含む本センサの各種実施形態は、費用効果的であって、効率的及びミニチュア超音波トランスデューサ／アレイを可能にする。各種実施形態による超音波トランスデューサは、平坦な、薄型超音波トランスデューサであって、これは、例えば、占有検出及び／又は動き検出のために用いられる従来のセラミック超音波トランスデューサより大きくはない。他の実施例は、人間、動物、車両等のような生物及び無生物の対象物の存在、速度、動きの方向、位置、動き及び／又は数のようなさまざまなパラメータを検出するために超音波ビームのスキャン及び電気的ステアリングを可能にする、平坦な薄型薄膜トランスデューサアレイを含む。斯様なコンパクト及び薄型超音波トランスデューサ／アレイは、特にこれらが視線を必要とせず、赤外線センサとは対照的に煙及び熱に反応しないので、さまざまなアプリケーションを見出す。
例示的実施例では、薄膜圧電トランスデューサアレイが存在検出及び／又は動き検出等のために使用され、ここで、図３は薄膜圧電トランスデューサ素子３１０のアレイ３００を示す。アレイ３００及び／又は各素子３１０は、何れかのサイズ及び形状を持ってもよい。素子３１０のピッチ３２０は、アプリケーションに基づいて選択される。動き検出器のため空気中の低い減衰を達成するために、前記アレイは、５０―４５０のＫＨｚの周波数で動作するように設計されている。これらの低周波で動作するために、素子ピッチ３２０は、ほぼ数百マイクロメートルから数千マイクロメートルである。ピッチ３２０は、１つの素子を隣接する素子から離隔するギャップ３４０と素子の幅３３０とを加えたものである。
図３に示されるように、アレイは、図１に関連して説明されている広めの適用範囲及びブラインドスポット１２０、１３０の低減又は排除のため超音波ビームの電気的ステアリングを可能にするためのような、アレイの制御及びアレイ３００から受信される情報処理のために、グアルティエーリによる米国特許第６，５４９，４８７号にて説明されているように、フェーズ・シフター、遅延タップ、コンバータなどの付随する電子部品を持つコントローラ又はプロセッサ３５０に接続されている。メモリ３６０もまた、プロセッサ３５０により実行されるときアレイ・システムの制御及び動作のためのソフトウェア命令又はコード、さまざまなデータ及びアプリケーション・プログラムを格納するため、プロセッサ３５０と動作的に結合される。
機械的エネルギに変換される電気エネルギ源の量（すなわち、電気機械変換の効率）であるデバイスの高い結合係数を達成するために、ピエゾ電気材料の両側にある電極の代わりに、電極が圧電薄膜の同じ側に処理される図４Ａに示されるようなセンサ４００が供給され、素子はトランスデューサの面に平行な分極方向において動作する。特に、図２Ｂに示されるように互いに嵌合される一対の電極４３０、４４０と４３０'、４４０'との間のインプレイン電界は、圧電薄膜の面の長手方向に応力振動を引き起こし、よって膜の曲げ振動に至る。電極４３０、４４０間の低減された間隔は、低い電圧での動作を可能にする。以下の説明では、「正」及び「負」の電圧は、それぞれ、ピエゾ電気材料の電界が分極方向に平行であるか逆平行であることを示すために用いられる。
高めの結合係数を持つ他にセンサ４００は、また、圧電薄膜の一方の側に電極層がないため１つ層が少ないので、少なめの処理ステップを必要とするだけであり、これは斯様なデバイス４００の費用効果的な製造を可能にする。センサ４００は、膜４１０の動きを可能にするため、センサ４００の形成の後取り除かれる基板の上に形成される膜４１０を含む。ピエゾ電気材料４２０、４２０'は、所望ならば例えばパフォーマンスを増大するためにパターニングされる膜４１０上に形成される。更に、一対の電極４３０、４４０及び４３０'、４４０'は、パターニングされたピエゾ電気材料のそれぞれの圧電性領域４２０、４２０'の上に形成される。
図４Ａに示されるように、正の電圧が内側エッジ電極４４０、４４０'に印加され、負の電圧が外側のエッジ電極４３０、４３０'に印加され、交互に接地され、圧電層の伸長４５０は、図４Ｂに示されるように、膜スタックの下方への曲り４６０に結果としてなる。電極対４３０、４４０及び４３０'、４４０'に印加される電圧の極性を反転させることは、上方へ膜スタックを曲げることになる。前記圧電層に印加される電圧パルス又は何らかの交流電流（ＡＣ）信号は、対象物の検出のため対象物から反射される超音波を引き起こす。
膜トランスデューサの動作原理は、基本的な曲りモードが示されている図４Ｂで説明される。膜の変位４０４は、区域４０１、４０１'及び４０２の曲りに結果としてなる。区域４０３は、ほぼ曲げられていないままである。圧電動作が、１つ又は複数の湾曲区域４０１、４０１'又は４０２を曲げるために用いられる。層状の膜が、これらの歪み可能又は可動部分４０１、４０１'、４０２において少なくとも用いられ、以下の区域で例証されるだろう。所与の実施態様は、膜のどの区域が作動されるかを選択することの自由度に限定を課すべきではない。例えば、図４Ａのスタック４４０、４３０、４２０、４１０は、図４Ｂに示される作動区域４０１を形成する。もちろん、歪み可能又は可動スタックは、区域４０２に配されてもよい。
もちろん所望ならば、一方の側、例えば、圧電材料の一番上の側の代わりに、電極の一対は、例えば、図５のセンサ５００に示されるように、圧電材料５２０、５２５をはさむように、両側にあってもよい。この場合、電圧は、一番上及び底部の電極対５３０、５４０及び５３０'、５４０'間に供給される。一番上の電極５３０、５３０'と底部電極５４０、５４０'との電圧差が正のとき、膜に対して垂直な伸長及び面内の圧電層の収縮５５０、５５５が、矢印５６０により示されるように、膜スタックを引っ張ることになる。
センサ４００、５００は、効率的に形成され少なめの処理操作を必要とするだけなので、高価ではない。例えば、ウェーハ及び膜は、高価なＳＯＩ製造に沿って作られず、図８Ａ〜８Ｃに関連してより詳細に説明されるように、シリコン窒化物、シリコン酸化物、又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物の組合せでよく、これらは標準半導体プロセスを使用して堆積され高価ではない。もちろん、これらの物質の他に、圧電薄膜処理と互換性を持つ他の有機又は無機の材料が使用されてもよい。更に、膜を露出させるため、図２Ａ及び２Ｂに関連して説明されるように、基板の部分を除去し、開口部２６０を作るため、例えば、パターニングされたバルクマイクロ機械加工及び２サイドリソグラフィにより、図６の点線として示される下部の基板６１５をパターニングする必要はない。
むしろ、センサはダイにマウントされ、十分なエッチングが、すべての下部の基板６１５を除去するために至る所で実行される。したがって、リソグラフィ又はパターニングは、例えば、所望ならば電極及び／又は圧電材料をパターニングするために一方の側にあるだけである。他方の側、例えば、図４Ａ及び図５に示される底部側は、何らかのリソグラフィ又はパターニングを必要としてもよい。むしろ、十分なエッチングは、下部の又は前部エンドの基板６１５を除去し、図６に示されるようにダイ又は後部エンドの基板６４０上にセンサアレイ又は素子をマウントした後に、膜４１０、５１０、６１０を露出させるように実行される。
基板のパターニングされたエッチングが必要でないだけでなく、適当な位置で開口部２６０（図２Ａ、２Ｃ）を得るために基板の所望の部分を適切にエッチングするため前部サイド及び後部サイドのマスクを位置合わせする必要もないので、コスト及び製造時間が低減される。これは、処理時間及び経費を低減するだけでなく、位置合わせエラーを排除し、壊れやすい穿孔された基板の処理問題を排除することにより、収率も増大する。更に、例えば図４Ａ、図６及び図８Ａに示されるように、電極が圧電材料の一方の側にだけある場合、すなわち、圧電材料の他方の側の上に電極がないため、１つ少ない層が必要とされ、製造時間及びコストを低減する。
それぞれ図４Ａ及び図５Ａの４１０、５１０及び図６の６１０の参照符号で示されるように、圧電薄膜トランスデューサの基本的なモジュールは、薄膜の膜のスタックである。実例として、膜４１０、５１０、６１０は、シリコン窒化物、シリコン酸化物又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物の組合せから形成される。膜４１０、５１０、６１０は、例えば低圧化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスで、例えば、膜の一方の側を露出させるために後で完全にエッチングされる基板６１５上に堆積される。前記基板は、シリコン又は何らかの他の適切な物質である。膜４１０、５１０、６１０の上部に、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム又は酸化アルミニウムの薄膜障壁層６１７が、図６に示されるように必要に応じて付与されてもよい。
（圧電層の一方の側の上にだけ電極を持つ図４Ａに示される実施例に関係する）図６に示される実施例では、膜層６１０（図４Ａの４１０）の上部に、又は存在するならば障壁層６１７の上部に圧電薄膜が形成され処理され、（所望ならば）圧電性の領域６２０、６２２、６２４を形成するためにパターニングされる。実例として、圧電薄膜は、例えば、Ｌａでドープされるか又はドープされないチタン酸ジルコン酸鉛でよいが、何らかの他の圧電材料でもよい。圧電層６２０は、連続的であるか、又は作動区域（図４Ｂの４０２）の幅に合わせるためにパターニングされてもよい。複数のトランスデューサ素子６００は、素子のピッチが素子（図３の参照符号３３０としても示される）の幅６２６と同程度小さい１次元又は２次元アレイへ配される。図６に示される左右の圧電性の領域６２２、６２４は、圧電性の機能を持たないが、後述するようにスペーサ又は支持マウントとして役立つ。高さ８２６を持つキャビティは、ガスで満たされるか、又はアプリケーションに依存して結合プロセスの間、排気される。例えば、ガス充填キャビティの効果は、苛酷な周囲のより良い信頼性のために密封したパッケージと同様に、より良好な封入を供給することを含む。キャビティ内が真空を持つ効果は、より硬い膜の不利な点であるが、特に空気トランスデューサのために膜の自由な動きを含む。キャビティは、周囲との圧力同等化を供給するために周囲に対して開いたままでもよく、よって、共振周波数、感度等のシフトのようなパラメータのシフト又はドリフトを低減するか又は回避する。しかしながら、開口キャビティは、湿気及び周囲に影響されやすい。選択は、アプリケーション環境に依存する。
更に、一つ以上のメタライゼーション層は、圧電薄膜の一方の側に付与され、図６のストリップ６３０として示される電極を形成するためパターニングされる。実例として、例えば約１μｍの総厚さを持つ薄いＴｉＷ層及びＡｌ層である第１の金属層スタックが形成され、電極ストリップ６３０、６３０'の第１のセットを形成するためにパターニングされ、第２の金属層が、電極ストリップ６３５、６３５'の第２のセットを形成するために電極ストリップ６３０、６３０'の第１のセットの上に形成されパターニングされる。本願明細書において示されるスタック又は層は、例えば、交互の層で形成される２つ以上の物質の単一の層又はマルチレイヤであることを理解すべきである。第２の金属ストリップ６３５、６３５'は、例えば約１μｍの総厚さを持つＴｉ層及びＡｕ層の金属層スタックである。もちろん、例えばＴｉ及びＡｕのスタックから１つの金属スタックだけを含むような、金属の何らかの適切な組合せ及びタイプが、電極を形成するために用いられる。圧電薄膜及び金属層のパターン構成は、フォトレジスト層及びエッチングを使用して、良く知られたリソグラフィ方法のような何らかの適切な方法による。
各アレイ素子又は圧電性の領域の対向し合う縁では、前記金属層は厚めでもよく、周辺の金属ストリップの高さを増大し、約２００ｎｍから２μｍまで又はより高く、例えば２０μｍまでの高さを持つ支持マウント６６０、６６０'を形成するため、前に形成された金属ストリップの上に形成される他の金属層６５０、６５０'を含む。他の金属層６５０、６５０'は、Ｔｉ及び／若しくはＡｕ又は金属の何らかの適切な組合せ及びタイプでよい。
図８Ａ、８Ｂに関連してより詳細に説明されるように、厚くされた端又は周縁の金属層（追加の又は他の金属層６５０、６５０'を持つ）も、支持マウント６６０、６６０'として働き、これらマウントの上に後部エンド基板６４０をマウントする。特に、図６に示されるデバイス６００の上部で、すなわち、圧電性の領域６２０、６２２、６２４又はアレイ素子の対向し合う縁の周辺金属ストリップ又は支持マウント６５０、６５０'の上に、後部エンド基板６４０は、例えば、Ｔｉ／Ａｕのような適切なコンタクト金属を使用して超音波結合によりマウントされる。もちろん、熱圧着等の何らかの他の結合スキームが用いられてもよい。後部エンド基板６４０は、例えばシリコンであり、何らかの適切な結合剤を使用して何らかの他の結合技術によりマウントされてもよく、ここで、金属層６５０、６５０'及び電極ストリップ６３５、６３５'の第２のセット両方ともＡｕでよく、互いに超音波結合に非常に適している。
後部エンド基板６４０がマウントされる周辺金属ストリップ又は支持体６６０、６６０'は、圧電層の上、０．５―３０μｍの厚みを持つ。もちろん、これらの高さを増大するために周辺金属ストリップ６３５、６３５'の上に他の金属ストリップ６５０、６５０'を形成する代わりに、他の金属ストリップ６５０、６５０'が後部エンド基板６４０に付与されてもよく、このとき後部エンド基板６４０は周辺金属ストリップ６３５、６３５'の上部にマウントされ、ここで金属（６３５）上の金属（６５０）の単純な結合が実行され、超音波結合の場合にはＡｕが金属層６５０、６３５両方に適している。もちろん、所望ならば、所望の高さの支持マウントが後部エンド基板６４０上に形成され、後部エンド基板６４０の斯様な支持マウントは、膜６１０の上部に、又は膜６１０の上に形成された適切な層の上部に結合されてもよい。
所望ならば、後部エンド基板６４０と圧電トランスデューサ領域との間に非常に大きなギャップ８２６を達成するために、代替的スタックにおいて、圧電性の膜６１０が作用している領域に、溝が後部エンド基板６４０に彫りつけられてもよい。このことを達成するために、金属領域６５０及び６５０'、例えば後部エンド基板６４０（例えば２μｍの厚さのＳｉＯ２層を持つＳｉ基板で例えばありえる）の上部にある薄いＴｉ及びＡｕ層である当該金属領域６５０及び６５０'を堆積しパターニングの後、Ｔｉ／Ａｕが堆積されない領域にＳｉＯ２及びＳｉのためのドライエッチング・プロセス・ステップが付与される。ドライエッチング手順の他に、ＳｉＯ２及びＳｉに対するウエットエッチング技術が、また適用されてもよい。ＳｉＯ２及びＳｉのパターニングは、圧電トランスデューサと後部エンド基板６４０との間に数マイクロメートルから数十マイクロメートルまでのギャップを達成することを可能にする。
後部エンド基板６４０は、一体型の電子部品、ガラス基板又は何らかの他の基板を持つか又は持たないシリコン基板である。マウントされた後部エンド基板６４０は、一体型の電子部品、トランジスタ、受動素子等を持つＳｉデバイスを含んでもよい。例えば、一次元及び／又は二次元アレイに対する高い素子数相互接続を可能にするため、例えば、開口部又はバイア穴が後部エンド基板６４０に供給されてもよい。
点線６１５により示されるトランスデューサアレイの下に担持される前部又は下部のシリコン基板６１５（その上に、種々の層、例えば、膜、障壁層、圧電層及び金属化層が形成され、パターニングされる）は、前記種々の層を形成しパターニングした後、完全に、又は、部分的にエッチングされ、アレイ素子の縁で金属化領域を厚くして、その上に後部基板６４０をマウントする。前部又は下部のシリコン基板６１５は、例えば、ウェット化学エッチング、ドライエッチング、グラインド及び／若しくは研摩、又はこれらの組み合わせにより完全に、又は、部分的にエッチングされる。パターニングされず、むしろ能動的なアレイ領域内でほとんど完全に除去されるので、前部若しくは下部の基板６１５のバルクマイクロ機械加工若しくはリソグラフィ・エッチングの何れの使用又は位置合わせが必要ない点に留意されたい。すなわち、２サイドリソグラフィが必要でない。これは、製造時間及び経費を減らす。
図３に関連して説明されたように、１つの素子から同じ及び／若しくは異なるサイズ及び／又は形状の数十、数百又は数千もの素子にさえわたる複数の素子３１０がアレイ３００に供給される。例えば５０―４５０ＫＨｚの周波数でデバイスを動作させるために、これらの素子は、数百マイクロメートルから数千マイクロメートルのオーダーのピッチで設計される。２００―３００ＫＨｚで動作するトランスデューサアレイ７００のためのデザインの例は図７に示され、素子７１０の断面が図８Ａに示される。例えば、円形の膜又は素子及び何らかの形状のアレイのような、これらの低周波でトランスデューサの効果的な動作を可能にする何れの他のデザインも可能であることは理解されるべきである。
低電圧での動作を可能にしながら、ほぼ５０―４５０ＫＨｚの範囲でデバイスの所望の共振周波数を依然達成するため、トランスデューサ素子８００は、図８Ａに示されるように、４００―１５００μｍのピッチ６２６を持ち、これは、インターデジタル電極８４０、８４５が、図２Ｂに示されるインターデジタル電極２５０、２５５と同様に、圧電層８２０の一方の側上にだけ形成される図４Ａと関連したデザインである。
図８Ａは、また、膜８３０を示し、中心能動的な領域８２１を形成するために当該膜８３０の上に圧電層８２０が形成されパターニングされ、当該中心能動的な領域８２１の上にインターデジタル・レイアウトを持つ電極８４０、８４５が付与される。インターデジタル電極８４０、８４５及び増大された数のインターデジタル電極の間の非常に小さなスペーシングを利用して、低電圧動作が達成される。
圧電材料６２２、６２４も周辺領域８２２、８２４に残り、当該周辺領域８２２、８２４の上にメタライゼーション層が形成され、これは電極８４０、８４５と圧電性の周辺領域６２２、６２４の上に第１の金属領域８６０とを形成するためにパターニングされる。第２のメタライゼーション層８７０は、同じ又は異なる金属（図６に関連しても説明されているように）を使用して、第１の金属領域８６０の上に形成される。第２のメタライゼーション層８７０は、能動的な領域８２１の電極及び圧電層８２０の厚み、すなわち高さ８２８（又は図８Ｂの８２８'）を超えて、周辺領域又は支持マウント８２２、８２４の厚み、すなわち高さ８２６（又は図８Ｂの８２６'）を増大させる。トランスデューサ素子は、上部又は後部基板６４０と、結合剤、超音波結合又は熱圧着により例えばクランプされて、マウントされる。
トランスデューサ素子のアレイ（図７の７００及び図３の３００）は、４００―８００μｍのピッチ３２０（図３）を持つ素子が、ビーム・ステアリング及びスキャンのために例えば並列に接続されるように構成されて形成される。図４Ａ及び４Ｂと関連して説明されたように、膜８３０は、前部又は下部の基板（図６の点線６１５により示されるように、後で取り除かれる）の上に形成されるシリコン窒化物層８４７とシリコン窒化物層８４７の上に形成されるシリコン酸化物層８５０とを、又はシリコン窒化物及びシリコン酸化物層の組合せを含む。
説明されているように、隣接する電極に異なる符号（すなわち、極性）電圧を印加する電圧信号が、インターデジタル電極８４０、８４５に印加され、よって、電極８４０、８４５の間にインプレイン電界を作り、よって、圧電層８２０を当該圧電層８２０の面内での長手方向の振動へ励起する。圧電素子の長さの変化は、膜８３０を振動へと励起する。
もちろん、電極が圧電層の一方の側に供給されるデザインの代わりに、電極は、図５に関連して説明され、パターニングされた圧電層又は領域８２０'が２つの対向し合う電極８４０'、８４５'の間に挟まれた図８Ｂに示されるように、圧電層の両側に供給されてもよい。この場合、圧電層８２０'は、パターニングされた対向し合う電極８４０'、８４５'に整合する領域にパターニングされる。
図８Ｂに示される実施例では、圧電層８２０'は、電圧を印加するための一対の相補型電極８４０'、８４５'で両側からカバーされる。もちろん、図８Ａ又は８Ｂに示される何れかの実施例の電極のうちの１つが接地されてもよい。実例として、底部電極８４０'は、例えばＴｉ／Ｐｔ電極であり、一番上の電極８４５'はＴｉ／Ａｕ電極である。もちろん、圧電層と互換性を持つ何れの他の電極物質が使われてもよい。
デザインは、他の実施例によるトランスデューサ８０１を表す図８Ｃに示されるように作動領域の直列接続を用いることにより、駆動電子部品の電気的インピーダンスを整合するように修正されてもよい。斯様なデザインはまた、依然許容できる抵抗損失を持つ薄めの電極を使用してもよい。信号電圧は、膜の曲りモードを妨げることのない追加の金属層６３０を加えることにより良好な導電を作る周辺トップ電極８８０、８８５の間に印加される。圧電層６２０の対向し合う側上の重なる電極８９０、８９５は、浮いているか、又は外部の小さなリーク電圧分圧器、例えば、高い値の抵抗チェーンに接続されてもよい。図８Ｃでは、圧電層６２０の能動的な部分は、重なり合う底部電極８９０とトップ電極８９５との間の容量性結合により直列に接続されるセグメントに分けられる。さらにもう一つ他の変形例（また、すべての例にあてはまる）は、図８Ｄに示されるような圧電結合を強化するためにＤＣバイアス電圧を印加することである。前記バイアス電圧は、抵抗８９１，８９３を介してポート８９２、８９４により、素子８８０、８８５、８８７、８９０に供給されてもよい。入力信号もまた、例えばポート８９５、８９６を介して供給されてもよい。このようにして、また、電歪物質が活性層６２０として使用でき、又はバイアス接続が圧電材料の極のために用いられてもよい。
斯様な薄膜トランスデューサアレイは、独立の薄膜圧電トランスデューサ膜に対する図９のプロット線９００で示されるように、５０―４５０のＫＨｚの周波数で動作し、ここでｘ軸は周波数であり、ｙ軸は電気的インピーダンスの実数部分である。
本願明細書の説明の観点から当業者により認識されるように、さまざまな変更態様が提供されてもよい。例えば、作動電極は、膜の中心又は膜の縁に単一のプレート・キャパシタを形成してもよい。あるいは、単一のプレート・キャパシタは、駆動回路の動作電圧と整合する直列構成で接続されるより小さな領域に分けられてもよい。上記のトランスデューサ、センサ及びシステムの各々は、他のシステムと連動して利用されてもよい。
更に、それぞれの内容が完全に参照によりここに組み込まれる譲受人に譲渡されたクレーらによるＷＯ０３／０９２９１５、米国特許第６，５１５，４０２号、米国特許第６，５４８，９３７号及びフレーザーらによるＷＯ０３／０９２９１６に説明されているように、さまざまな物質が、種々異なる層で使われてもよい。
例えば、障壁層は、以下の一つ以上から形成されてもよい：ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＭｇＯ及び／鉱石ＺｒＯ２。
圧電薄膜物質は、以下を含む：
１.ドーピングする又はしないＰｂＺｒｘＴｉ１―ｘＯ３（０≦ｘ≦１）。ドーピングは、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉ又はこれらのドーピングの組合せを有する。
２.Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）１―ｘ―ｙ（Ｍｎ１／２Ｎｂ１／２）ｘＴｉｙＯ３（０≦ｘ≦1、０≦ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｓｒ３ＴａＧａ３Ｓｉ２Ｏ１４、Ｋ（Ｓｒ１―ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦１）、Ｎａ（Ｓｒ１―ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５（０≦ｘ≦１）、ＢａＴｉＯ３、（Ｋ１―ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０≦ｘ≦１）、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ、Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３、Ｂｉ７Ｔｉ４ＮｂＯ２１、（Ｋ１―ｘＮａｘ）ＮｂＯ３―（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ａ（ＢｉｘＮａ１―ｘ）ＴｉＯ３―ｂ（ＫＮｂＯ３―ｃ）１／２（Ｂｉ２Ｏ３―Ｓｃ２Ｏ３）（０≦ｘ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＣａｃ）ＴｉｘＺｒ１―ｘＯ３（０≦ｘ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＬａｃ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４
更に、支持マウント８２２、８２４（例えば図８Ｂに示されるような）を形成するさまざまなスタック又は層は、圧電層６２２及び後部基板６４０の１つ又は両方の上に形成されてもよい。例えば、２つの金属層６３０、６３５は圧電層６２２の上に形成され、１つの金属層６５０は第２の金属層６３５と結合するために後部基板６４０上に形成される。代わりに、又は加えて、第１の金属層６３０は圧電層６２２上に形成され、２つの金属層６５０、６３５は後部基板６４０上に形成され、ここで、第２の金属層６３５は第１の金属層６３０と結合される。
支持マウント（例えば、図８Ｂに示される支持マウント８２２、８２４）を形成するさまざまなスタック又は層は、以下の物質の一つ以上を含み、ここで、第１の金属層６３０が圧電層６２２の上に形成され、第２の金属層６３５は第１の金属層６３０の上に形成される。他の金属層６５０は、表１に示されるように後部基板６４０上に形成される。例えば、表１の第１行は、Ｔｉ層が圧電層６２２の上に形成され、Ａｕ層が前記Ｔｉ層の上に形成され、ここで、Ｔｉ及びＡｕ層は第１の金属層６３０を形成する実施例を示す。他のＡｕ層は、第１の金属層のＡｕ層の上に第２の金属層６３５として形成される。後部基板６４０上に、Ｔｉ層が形成される。このＴｉ層の上にＡｕ層が形成され、ここで、これらのＴｉ及びＡｕ層は後部基板６４０上に付加のすなわち他の層６５０を形成する。次に、他の層６５０のＡｕ層は、第２の金属層６３５のＡｕ層に結合される。
Figure 0005676255
もちろん、何らかの他の金属及び金属スタックの組合せが、各種層を形成するために用いられてもよい。更に、後部基板６４０上に他の層６５０だけを形成する代わりに、第２の金属層６３５は、（第１の金属層６３０の上に形成される代わりに）他の層６５０上にも形成されてもよい。後部基板６４０上に層６５０、６３５のスタックを形成した後、第２の金属層６３５は、圧電層６２２の上に形成される第１の金属層６３０に結合される。この場合、第２の金属層６３５は、（例えば、図６及び図８Ｂに示されるように第１の金属層６３０に重なる代わりに）他の層６５０に重なるだろう。表２は、他の層６５０が後部基板６４０上に形成され、第２の金属層６３５が他の層６５０上に形成される場合の層の各種実施形態を示す。
Figure 0005676255
表２に示されるように、他の層６５０の層の一つで第１のＡｕ層を形成して、それから第２の層６３５として（第１のＡｕ層の上に）第２のＡｕ層を形成する代わりに、単独で厚いＡｕ層が後部基板６４０上に形成される（他の層６５０の）Ｔｉ層の上に形成されてもよいことに留意されたい。表１の第１の行の場合のように、表２の行１つに示された実施例において、Ｔｉ層が圧電層６２２の上に形成され、Ａｕ層が第１の層６３０を形成するためにＴｉ層の上に形成され、これは後部基板６４０のＴｉ層上に形成される厚いＡｕ層に結合される。もちろん、何らかの他の金属及び金属スタックの組合せが、表２にみられる各種層を形成するために用いられてもよい。
特定のアプリケーションにおいては、トランスデューサアレイの異なる形状が望ましい。例えば、参照により完全にここに組み込まれるウィルスラによる米国特許出願公開番号第２００７／００１３２６４号は、半導体材料の担体基板のスラブ上に形成される容量性膜超音波トランスデューサアレイを記述している。基板の２つのスラブは、曲りを許容するより薄い基板ブリッジにより離隔されるか又は接続される。離隔されたか薄く接続されたスラブは、カーブするアレイとなる剛性湾曲面に沿って位置される。前記スラブは、湾曲の程度に耐えるのに十分可撓性である伝導相互接続により接続される。所望の形状が湾曲面の上にスラブを配置することにより達成されるが、スラブを接続する薄いブリッジ又は導体は壊れやすい。更に、湾曲面自体は、堅くて可撓性ではない。
本デバイス及びシステムの一つの実施例においては、よりよく保護され、剛性表面をそれ自身必要とすることなく所望の形状に形成されるトランスデューサの改良された又は実に可撓性のアレイが供給される。例えば、図３に示されるアレイ３００は、少なくとも一つの無指向性動き及び存在検出器として構成される、少なくとも一つの薄膜可撓性超音波トランスデューサを含む。可撓性超音波トランスデューサの代わりに、又はそれに加えて、少なくとも一つの薄膜可撓性焦電センサが供給される。可撓性の超音波及び焦電センサの組合せは、２タイプのセンサ、すなわち、焦電及び超音波センサを利用して、焦電センサが例えば（ＩＲ信号検出のために一連の視界を必要とする不利な点を持つ）赤外線の（ＩＲ）信号を使用した温度変化の検出に基づき、超音波センサが障壁周辺で超音波信号を検出するが視界の直接のラインを必要としないので、偽の不在警報又は誤警報の提供が少なくなる。
超音波及び／又は焦電トランスデューサのアレイの柔軟性は、さまざまな形状のアレイの実現を可能にする。斯様な可撓性のトランスデューサアレイは、何らかの所望の形状、例えば円錐形状に形成されて、天井にマウントされる。これは、超音波及び／又はＩＲ信号の無指向性伝送及び検出を可能にする。
例えば、図１０に示されるセラミック圧電素子及び／又は図１１、図１２に示される薄膜トランスデューサのような、トランスデューサの何らかのタイプのトランスデューサの可撓性のアレイを含む実施例が実現される。
特に、図１０は、２つの電極１０３０、１０４０にはさまれる圧電材料１０２０の層を持つセラミック圧電素子を有するトランスデューサ１０１０の可撓性のアレイ１０００の一つの実施例を示す。もちろん、所望ならば、電極は、図２Ａ、図４Ａ、図６及び図８Ａに関連するような上述のものと同様に、圧電材料１０２０の一方の側にだけ位置されてもよい。
図１０に示されるように、ワイヤボンド又はパターニングされた導電通路である点線１０６０として示される相互接続を有する可撓性のキャリア１０５０上に、例えば行及び列のアレイとして、トランスデューサ１０１０はマウントされる。相互接続１０６０は、電極を相互接続させたり、電源、電子回路、コントローラ、トランジスタ、スイッチ、受動的又は能動的なデバイス等への接続のためのような所望の他の素子に相互接続させる。可撓性の超音波トランスデューサアレイ１０００は、薄膜超音波及び／又は焦電トランスデューサを含む、無指向性動き検出のための何らかの所望の形状を持つセンサの実現を可能にする。トランスデューサ１０１０は、可撓性である必要がなく、可撓性のフォイル１０５０の動きを許容しアレイ１０００を何らかの所望の形状に形作ることを可能にするギャップ１０７０により離隔されて、可撓性のフォイル１０５０に結合されるなどして、単にマウントされていてもよい。
図１０に示される実施例のトランスデューサ１０１０が膜を含まず、圧電スラブ１０２０が可撓性のキャリア１０５０を曲げるはずがないことに留意されたい。トランスデューサアレイ１０１０は可撓性のキャリア１０５０のため可撓性であるが、可撓性のキャリア１０５０の剛性が典型的にあまりに低すぎて良好な膜として作用できない。しかしながら、所望ならば、製造中に例えば事前に曲げて面内応力が曲げに変換されるように、シンメトリ破壊が導入されてもよい。更に、音響インピーダンスが整合せず、例えば圧電材料１０２０が水又は空気より硬いならば、広帯域の動作などのため、任意の整合層１０７５が図１０に示される下側電極１０３０に供給されてもよい。加えて、中間の剛性を持つ層が、帯域幅を増大してエネルギ転送を容易にするために供給されてもよい。もちろん、曲り膜のような機械式変成器が用いられてもよい。
図１１は、アレイ１１００の他の実施例を示し、ここで、電子部品を持つ又は持たないシリコン部分にマウントされた、上部側に薄膜圧電素子を持つ２つの超音波トランスデューサデバイスが示される。超音波トランスデューサデバイスは、参照符号１１５０、１１５５として示される可撓性の層で両側がカバーされる。可撓性の圧電超音波トランスデューサアレイ１１００は、説明された薄膜処理により実現される。図１１において、２つの薄膜圧電超音波トランスデューサ素子は、参照符号１１１０、１１２０として示される。もちろん、例えば、等しいか異なる数の行及び列を持つような、何らかの所望の数のトランスデューサ素子が、何らかの所望の構成又はトポロジのアレイに含まれてもよい。薄膜処理は、可撓性の超音波トランスデューサアレイを実現するために適用される。代わりに、又は、加えて、可撓性の容量性マイクロ機械加工された超音波トランスデューサアレイが実現されてもよい。薄膜可撓性の超音波検出器に関連した上述と同じ技術が、薄膜可撓性の焦電検出器を実現するために用いられる。
特に、図１１に示される可撓性のアレイ１１００の実施例は、２つのトランスデューサ１１１０、１１２０が示される薄膜超音波トランスデューサを有する。トランスデューサ１１１０、１１２０は、第１及び第２の可撓性の層１１５０、１５５５によって両側が囲まれる。図１１は、一体化された電子部品を持つ又は持たないシリコン（Ｓｉ）部分１１３０のような半導体部分と、シリコン（Ｓｉ）部分１１３０の上部の誘電層に埋め込まれる相互接続構成体１１３２とを有する２つのトランスデューサ１１１０及び１１２０を持つ可撓性のトランスデューサアレイ１１００を示す。異なるトランスデューサ素子１１４２のための相互接続ライン１１４０は、例えば、電気メッキを施された金（Ａｕ）を主成分とした再分布相互接続層を有する。例えば、シリコン窒化物及び／又はシリコン酸化物を有する薄膜の膜１１８６が供給される。膜１１８６上に、圧電薄膜層１１８４が形成される。例えば、チタン（Ｔｉ）及び／又はＡｕを有するメタライゼーション層１１８２が、例えば、超音波結合によりＳｉ部分１１３０上に圧電性の部分１１８４をマウントするためのコンタクトを形成するために付与されてもよい。このコンタクト１１８２は、接地コンタクトとして働いてもよい。例えば、圧電層１１８４の上部にＴｉ及び／又はＡｕ層を有する他の金属コンタクト１１８８が形成されてもよく、信号回線としても使われる。もちろん、図１１に示される実施例は、圧電素子を駆動するための信号ライン及びグランドとの接続のための１つのオプションであるが、本説明からみて当業者にとって明らかであるように、接続の他の方法も可能である。
可撓性であることに加えて、薄膜超音波トランスデューサアレイ１１００は、また、アレイの両側上に２つの可撓性のフォイル１１５０、１５５５により保護されている。もちろん、薄膜超音波トランスデューサに加えて、又はその代わりに、焦電トランスデューサが用いられてもよい。
図１２は、２つ以上の超音波トランスデューサ１２１０、１２２０の可撓性のアレイ１２００の他の実施例を示し、ここで、各トランスデューサは、例えば、図８Ａに関連して説明される超音波トランスデューサ８００と同様である。図１２に示されるように、各超音波トランスデューサ１２１０、１２２０の後部基板１２４０は、可撓性のフォイル又はポリマ層１２５０に、例えば結合されて取り付けられる。後部基板１２４０は、何らかの適切な基板、例えばガラス、及び／又はシリコン（Ｓｉ）のような半導体材料でよく、担体だけでなく、また、例えばトランジスタ、スイッチ、増幅器並びにトランスデューサの制御及び動作のための所望の電子部品のような能動及び／又は受動素子を含んでもよい。
２つのトランスデューサ１２１０、１２２０の後部基板１２４０が互いに直接接続されていないことに留意すべきである。むしろ、後部基板１２４０は、可撓性のポリマ層１２５０により接続され、よって、トランスデューサアレイ１２００に柔軟性を供給し、所望の形状へ作られることになる。
図８Ａに示されるトランスデューサ８００のような非可撓性のアレイ用に構成されるトランスデューサと比較して、トランスデューサ１２１０、１２２０が、より薄い後部基板１２４０を持つことに留意されたい。膜１２３０、圧電層１２２２及び電極１２４２のようなトランスデューサ素子は、例えば、薄くされたＳｉ基板である薄い後部基板１２４０にマウントされる。後部基板１２４０の低減された厚さ及びトランスデューサ１２１０、１２２０の基板１２４０間の分離すなわちギャップ１２６０は、アレイ１２００の柔軟性を改善する。
Ｓｉ基板１２４０において、分離されたバイア穴１２７０が、電源及びグランドを含むさまざまな素子とトランスデューサ１２１０、１２２０との相互接続のために形成される。受動及び能動素子、回路等のような必要なさまざまな素子は、後部基板１２４０内で、又は可撓性のフォイル１２５０内若しくは上で処理でき、信号及びグランド接続のため複数のレベルの相互接続を有する。可撓性のデバイスを実現するために、さまざまなトランスデューサ１２１０、１２２０間の膜１２３０が分離される。可撓性の超音波トランスデューサの代わりに、又はそれに加えて、可撓性の焦電薄膜センサが形成されてもよい。上記の種々異なる技術すべてが可撓性の超音波トランスデューサ及び焦電センサのアレイの組合せを実現するために用いられてもよいことに留意されたい。
図１２も、図８Ａに関連して説明されたような支持マウント８２２、８２４を示し、ここで、支持マウント８２２、８２４は圧電性の領域６２２の上に形成され、図６に関連して示されて説明される２つの金属層６３０、６３５と同様だけでなく、例えば図８Ａに関連して説明されるものと同様に２つの金属層８７０、８６０を含む。もちろん、例えば、図６に関連して示され説明される追加の金属層６５０のような他の金属層も、支持マウント８２２、８２４に含まれてもよい。
図１２に示される膜１２３０が、図８Ａに関連して示され説明されるように、前部又は下部の基板（図６の点線６１５により示されるように、後で取り除かれる）の上に形成されるシリコン窒化物層８４７、及びシリコン窒化物層８４７の上に形成されるシリコン酸化物層８５０、又はシリコン窒化物層及びシリコン酸化物層の組合せのようなさまざまな層を含んでもよいことに留意されたい。もちろん、酸化物、窒化物、酸化物のスタック又は酸化物及び窒化物のスタックを有する膜層の他の組合せが使用されてもよい。
上記可撓性のトランスデューサの他の実施例では、例えば５０μｍの薄いＳｉ基板である非常に薄い後部基板１２４０に誘電層及び相互接続がマウントされてもよい。この非常に薄い基板１２４０は、可撓性の基板として作用するので、追加の可撓性の層１２５０が必要とされない。
他の実施例は、少なくとも一つの薄膜焦電センサ及び／又は赤外線（ＩＲ）を検出するための焦電センサのアレイを伴った、少なくとも一つの圧電薄膜超音波トランスデューサ及び／又は圧電トランスデューサのアレイの組合せを含み、これは動き検出及び／又は存在検出のためのようなさまざまなアプリケーションを持つ。超音波及び焦電トランスデューサ両方は、同様のプロセスを用いて薄膜として形成され、同時に、又は並行して一緒に形成されてもよい。圧電材料が、超音波及びＩＲ信号の生成／伝送及び受信／検出のために用いられる。もちろん、また、異なる圧電及び焦電材料が適用されてもよい。以下の図は、複合の薄膜超音波及び焦電検出器の異なる例示的な実施例を示す。
図１３Ａは、超音波トランスデューサ１３１０及び焦電トランスデューサ１３２０の組合せを含むアレイ１３００を示す。もちろん、アレイに配列される代わりに、複合の超音波及び焦電トランスデューサは、スタンドアローン検出器でもよいし、又は何れかの所望の構成において他の検出器と使用されてもよい。単一の素子として、又は素子のアレイとして、超音波及び／又は焦電トランスデューサは、例えばシリコン窒化物、シリコン酸化物又はシリコン窒化物及び酸化物の組合せである膜１３３０の上部で処理される。図１３Ａは、図８Ａ及び図１２に関連して説明もされているように、シリコン窒化物層８４７の上に形成されるシリコン酸化物層８５０を示す。もちろん、この実施例及び他の実施例において、Ｓｉのような他の膜材料又はＳｉ及びシリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ２）の膜スタックの組合せが用いられてもよい。シリコン酸化窒化物層の効果は、低い比熱及び低い熱伝導率であり、このことは焦電デバイスの熱時定数を増大させ、このとき、温度増大デルタＴはその背景値にまで緩和する。
焦電検出器１３２０の隣の薄膜超音波トランスデューサ１３１０との統合は、異なるバージョンにおいても行われる。例えば、後部基板１３４０は、図１３Ａに示されるようにトランスデューサの一部にマウントされるだけでもよい。一体型の超音波トランスデューサ１３１０及び焦電検出器１３２０を有する大きな膜を機械的に安定させる目的を持つ代替技術において、マウントされた後部基板１３４０は、図１３Ｂに示されるように焦電検出器１３２０もカバーし、ここで、一体型の超音波トランスデューサ１３１０及び焦電検出器１３２０両方は後部基板１３４０でカバーされる。代わりに、又は、加えて、一体型の超音波トランスデューサ１３１０及び焦電検出器１３２０の大きな膜を安定させるために、膜１３３０（例えば、シリコン窒化物膜）の下のＳｉ基板２１０'は、図１３Ｃに示されるように超音波トランスデューサ１３１０と焦電検出器１３２０との間の領域に部分的に残ったままでもよい。もちろん、所望の数の超音波トランスデューサ１３１０及び焦電検出器１３２０が一緒に集積されてもよく、ここで、図１３Ａ―１３Ｃは、参照符号Ａ及びＢとして示される２つの焦電検出器１３２０の次に２つの超音波トランスデューサ１３１０を示す。
図１３Ａに示されるこの例において、ドープされていないか又はＬａ若しくはＭｎドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩である圧電層１３２２が、膜１３３０の上部で処理される。膜１３３０と圧電層１３２２との間に、図２Ａの参照符号２３０及び図６の参照符号６１７として示される障壁層と同様に、障壁層１３１７が適用され、これは例えば酸化チタン又は酸化ジルコニウム（例えば、ＴｉＯ２又はＺｒＯ２）である。
この圧電層１３２２は、また、超音波トランスデューサ１３１０の次に形成されて処理される焦電検出器１３２０の焦電センサ材料として役立つ。自由な膜１３３０上の他の素子（例えば、他のトランスデューサ）から分離される焦電検出器１３２０を持つ効果は、素子が熱的に隔離されることである。熱的に隔離された焦電検出器１３２０を持つことは、基板を通じた熱伝導のための温度減少を防止する。圧電性又は焦電性層１３２２は、１―６μｍの典型的な厚さを持つ。圧電性／焦電性層１３２２は、超音波及び焦電デバイス又は素子１３１０、１３２０の間だけでなく、アレイ１３００の超音波トランスデューサ素子１３１０の間のクロストークを防止するようにパターニングされる。
ほぼ５０ナノメートルの厚さを持つチタン（Ｔｉ）及びほぼ１μｍの金（Ａｕ）である一番上の電極１３４２が、（図１２の電極１２４２及び／又は図８Ａに示されるインターデジタル電極８４０、８４５と同様に）付与される。しかしながら、ＩＲ放射線の最適吸収を供給するニッケル／クロミウム（Ｎｉ／Ｃｒ）電極のような他の物質も、電極として用いられてもよい。電極１３４２は、超音波トランスデューサ１３１０用の電極、更には焦電検出器デバイス１３２０用の電極を作るためにパターニングされる。あるいは、超音波トランスデューサ１３１０用の電極は基板ダイの超音波結合のための最適電極を持つためにＴｉ／Ａｕから作られ、ＩＲセンサ１３２０用の電極はＮｉ／Ｃｒから形成されてもよい。このＮｉ／Ｃｒは、超音波トランスデューサのより厚めの金属のための付着層として使われる同一の層でもよい。
各焦電素子１３２０は、図１３Ａの参照符号１３４２として示される図２Ｂのような嵌合した一番上の電極を持つ。最も高い感度のため、これらは、２つのセンサを形成する。一方のセンサは赤外線により例えば、レンズを介して照射されるが、第２のセンサは照射されない。差動信号は赤外線の何らかの変化を示す一方で、周囲温度の遅い変化が相殺される。ＳＮ比を含む、信号を最適化するための最適な光学システムとして、フレネルレンズのような光学システムが含まれてもよい。焦電又は圧電材料１３２２は、例えば１８０°Ｃのような高い温度でＤＣ（直流）電界を付与することにより分極される。この１つの焦電素子１３２０にフォーカスすると、ＩＲ放射のため１つの焦電素子１３２０の温度の増大が、動き検出のために使われる。焦電素子１３２０の温度の変化は、焦電素子１３２０の分極の変化となり、よって、表面の電荷の開放ともなる。これらの電荷は、動き（すなわち、温度の変化）を示す前置増幅器により読み出される電圧を引き起こす。
良く知られているように、レンズ１３８０は、ＩＲ放射線１３８５を受けるために、焦電素子１３２０の膜１３３０の前に供給される。レンズ１３８０は、熱伝導を低減するために膜１３３０から隔離され、所望の方向からＩＲ放射線１３８５を受けるために指向的に構成される。超音波トランスデューサ１３１０により伝送され、又は受信される超音波は、図１３Ａで矢印１３８７として示される。
所望の動作のために、異なるデザインが可能である。一つのバージョンにおいて、２つの焦電素子は、直列に設計されて、逆向きの極性を持つ。斯様な二重素子レイアウトは、同時に両方の素子を加熱して、背景温度の変化を補償するために用いられる。図１３Ｂ、１３Ｃに示される二重素子デザインの他に、４つの素子のような、又はそれ以上の素子のような所望の数の焦電素子を用いた他のデザインが使われてもよい。
他のデバイス、回路及び電子部品が、基板１３４０に一体化されて供給されてもよい。ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）１３９０でもよい増幅器のような電子部品が、ボード１３９５に別々にマウントされ、超音波トランスデューサ及び焦電センサを有するデバイスにワイヤ結合されてもよい。１つの例が、図１３Ａに示される。また、システムの他のスタックが形成されてもよい。例えば、別の実施例が図１３Ｂに示され、ここで、基板１３４０は、超音波トランスデューサ／アレイ上にマウントされ、更に延在して、焦電センサ／アレイを保護するために用いられる。もちろん、他の所望のスタックが形成されてもよい。図１３Ｃにおいて、他の実施例は、膜の下で、前部基板２１０'が、圧電超音波トランスデューサ又はトランスデューサアレイと、焦電センサ又はセンサアレイとの間に支持２１０''を形成するように、除去される。
したがって、検出器のアレイは、超音波検出器のみ、ＩＲ検出器のみ、又は所望の数の検出器若しくは検出器の組合せを使用する超音波及びＩＲ検出器の組合せを含んでもよく、ここで、所望の数の赤外線素子が、超音波及び赤外線の伝送、検出、イメージングのために使われる結合されたアレイを形成するため超音波素子の次に形成される。斯様な複合の超音波及びＩＲトランスデューサは薄膜処理により形成され、ここで電極は、例えば図２Ａ〜８Ｄに関連したように以前説明されたのと同様に、圧電材料の同じ側又は両側にある。
図１４Ａに示されるアレイ１４００の他の実施例において、増幅器１３９０のような回路は、パッケージソリューションのシステムを達成するために、担体又は前部基板２１０'上のトランスデューサ及び焦電素子１３１０、１３２０の隣のフリップチップマウント又はワイヤボンディング１４９５によりマウントされる。概してＳｉ担体であるこの担体２１０'は、例えば抵抗のような他の素子、機能及びデバイスも有する。担体又は前部Ｓｉ基板２１０'が図２Ａ、２Ｃに示される前部基板２１０と同様であることに留意されたい。このようにして、図１４Ａに示されるように、大幅に小型化された薄型超音波検出器アレイ及び焦電検出器アレイが達成できる。図１３Ｂと同様に、図１４Ｂに示されるように、後部基板１３４０は、延在されて焦電センサを保護するためにも用いられる。あるいは、図１４Ｃに示されるように、デバイスを支持するために、前部基板２１０'は、図１３Ｃに関連して説明されたのと同様に、圧電超音波トランスデューサと焦電センサとを隔離する支持２１０''を形成するようにパターニングされる。
図１５に示されるトランスデューサアレイ１５００の他の別の実施例において、図２Ａ、２Ｃに示される前部基板２１０と同様に、例えばＦＥＴである増幅器のような回路構成を前部Ｓｉ基板２１０'へ統合することにより、更なる小型化さえ達成される。これは、図１４Ａと関連して説明されたように、スタンドアローンの、又はフリップチップマウント若しくはワイヤボンディング１４９５などの手段によりトランスデューサに接続されるか又はマウントされる、統合されていない増幅器を持つこととは対照的である。図２Ａ、２Ｃに関連して説明されてもいるように、前部基板２１０、２１０'は、超音波トランスデューサ及び／又は焦電トランスデューサを実現するため各種層を担体上に形成しパターニングするための担体として用いられる。説明されているように、前部基板の部分が（例えば、図２Ａ、２Ｃに示される開口部２６０を形成するために）除去され、よって、基板２１０、２１０'を残す。前部Ｓｉ基板２１０'に一体化されるＦＥＴと電極１３４２との間のように、相互接続１５１５が必要に応じて供給される。
あるいは、図１３Ｂ及び１４Ｂに関連して説明されたのと同様に、後部基板１３４０は、圧電トランスデューサ上の取付けの用途にだけ使われるだけでなく、図１５Ｂに示されるように、焦電センサの上に延在されて焦電センサを保護もするためにも用いられる。更に、図１５Ｃに示されるように、前部基板２１０'は、図１３Ｃ及び１４Ｃに示されるのと同様に、圧電超音波トランスデューサと焦電センサとを離隔するような態様でパターニングされる。
圧電層の一方の側（ｄ３３モードと呼ばれる）上の電極を示すさまざまな実施形態の上記説明は、図５及び図８Ｂ―８Ｃに関連して示され説明されるように、電極が圧電層の対向し合う側にあるｄ３１モードで動作する実施例に等しく適用できることが理解されるべきである。
例えば、図１６に示されるトランスデューサアレイ１６００の実施例において、超音波トランスデューサ１６１０は、（例えば、ｄ３３モードで動作する図１２―１５に示される前述の実施例とは対照的に）ｄ３１モードで動作する。ｄ３１モードにおいて、圧電層を作用させる電極は、圧電フィルムの対向し合う側に設計される。この設計は、トランスデューサが低電圧で動作できるという効果を持つ。超音波トランスデューサ１６１０は、図２Ｃ、図５及び図８Ｂ―８Ｃに関連して説明されたような、前述のものと同様に形成される。
圧電性の領域１６２１の両側上に電極を持つ超音波トランスデューサ１６１０に加えて、図１６Ａに示されるアレイ１６００の他の実施例においては、焦電検出器素子１６２０は、焦電層１６２２の対向し合う側に電極を持つプレート・キャパシタとしても処理される。焦電ＩＲトランスデューサ１６２０は、全前部基板２１０'上に担持される膜１３３０の上に第１の又は前部電極１６４２を形成することにより実現される（すなわち、図２Ｃ、図５及び図８Ｂ、８Ｃに関連して前述したのと同様に、膜１３３０を露出させるため基板２１０'の部分を除去する前に）。次に、焦電圧電層１６２２が前部電極１６４２の上に形成され、第２の又は後部電極１６４４は圧電層１６２２の上に形成され、所望ならばパターニングされる。前部基板２１０'の部分は次に膜１３３０を露出させるためなどのために所望により除去され、膜１３３０の部分は前部電極１６４２を露出させるため所望により除去され、前部電極１６４２は所望によりパターニングされる。次に、レンズ１３８０は、レンズが熱的に隔離される前部電極１６４２の部分に設けられる。
焦電／圧電性の領域及び層１６２１、１６２２は、１００―３００°Ｃ（例えば、１８０°Ｃ）のような高い温度でＤＣ電界を付与することにより分極化される。焦電／圧電層１６２１、１６２２の分極は、層１６２１、１６２２に対して垂直である。互いに反対の分極を持つ２つ以上の焦電素子が直列に設計されてもよい。赤外線からの温度変化のため前記素子の分極の変化は、前部シリコン基板２１０'に集積されるか又は他の所望の電子部品及び回路とともにトランスデューサにマウント／接続されるＦＥＴである前置増幅器で読み出される。すなわち、ＦＥＴを含む電子回路は、別々のプリント回路基板（ＰＣＢ）に実現され、及び／又は、例えば、Ｓｉ担体２１０'上のワイヤボンディング又はフリップ・チップ・マウンティングによりマウントされる。図１６Ｂに示されるように、図１６Ａの変形例において、電極及び焦電層の下の膜は除去されなくてもよい。
さまざまな図に示されるＩＲ検出器のレンズ１３８０が、フレネルレンズと同様の異なる曲率及び異なる厚みのような異なる特性のセグメント、ここで、各セグメントが特定の領域又はゾーンからＩＲ放射線を受けるように構成される当該セグメントに典型的に分割されることに留意されたい。セグメントの数及びタイプは、カバー領域に基づいて変化し、ここで概して、より広いカバー領域がより高い数のセグメントを必要とする。ＩＲ放射線に対して監視されるカバーエリアのサイズに依存して、ＩＲ検出器で使用される典型的なレンズは、７―１４個のセグメントを含む。斯様なレンズは、比較的高価で、セグメントの数を増大するにつれてコストが増大する。
多くのセグメントを持つ高価なレンズを持つ代わりに、薄膜センサのアレイは、低減されたセグメント又はセグメントを持たないが依然広いカバー領域を持つレンズを持って使用される。このように、薄膜トランスデューサのアレイを使用することは、レンズを設計することを容易にしてレンズの厚さを減らし、よって、コストを下げるだけでなくコンパクトなデバイスを供給する。例えば、天井アプリケーション用のＩＲ動き／存在センサは、４つの素子又はセンサ（四分円デバイス）と、１４個のセグメントを持つレンズとを持ち、１４の４倍、すなわち５６個の検出領域を供給する。代わりに、ＩＲ焦電センサは１４個の素子又はセンサを含み、レンズは４つのセグメントだけを持つが、依然同じ数の検出区域、すなわち４の１４倍、すなわち５６個の検出領域を持つ。
図１７Ａ〜１７Ｃに示される他の例において、ｄ３３又はｄ３１モードで動作する超音波トランスデューサ１３１０は、専用の組成物を持つ圧電薄膜層を使用し、焦電検出器１３２０は、超音波トランスデューサ１３１０の圧電薄膜層の組成物とは異なる特別な組成物を持つ他の専用の層を使用している。図１７Ａ〜１７Ｃに示される一体型の超音波及び焦電／赤外線（ＩＲ）デバイスのこれらの実施例において、一体型の超音波トランスデューサ１３１０は、Ｌａがドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩を持つ専用の圧電組成物を持ち、一体型のＩＲ検出器１３２０は、Ｌａ、Ｍｎがドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩の専用の焦電組成物を持つ。
１つの例示又は実施例が、図１７Ａにおいて与えられる。この実施例は、図１３Ａと同様の焦電センサのアレイ、超音波トランスデューサ及び焦電センサのアレイ、又は超音波トランスデューサのシステムを示す。圧電超音波トランスデューサは、この例ではｄ３３モードで動作している。例えばシリコン窒化物及びシリコン酸化物又は何らかの他の膜スタックである膜１３３０の部分の上部で、圧電層１３２２、例えばランタン（Ｌａ）がドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩層が堆積され、パターニングされるので、これは超音波トランスデューサが機能している領域にだけ位置される。焦電センサ又はセンサのアレイが位置される膜１３３０の他の部分に、焦電薄膜層１７２２は当該膜１３３０の上部に堆積される。焦電薄膜層は、例えば、ランタン及びマンガン（Ｍｎ）がドープされたチタン酸鉛ジルコン酸塩層である。
図１７Ｂ及び図１７Ｃは、図１３Ａ〜１３Ｃと同様に、マウントされた後部基板１３４０が図１７Ｂに示されるように超音波トランスデューサ及び焦電センサをカバーするために延在している図１７Ａの変更実施態様を示す。図１７Ｃにおいて、専用の圧電薄膜物質を持つ超音波トランスデューサ領域は、図１３Ｃ、１４Ｃ及び１５Ｃに関連して説明されたのと同様に、前部基板２１０'をパターニングすることにより、焦電センサ領域から離隔される。
最後に、上述の説明は、本システムの単なる例示を意図するものであり、何れの特定の実施例の又は実施例のグループに請求の範囲を制限するものと解釈されてはならない。したがって、本システムがその特定の例示的実施形態に関して特に詳細に説明されたが、多数の変更実施態様及び別の実施例が、以下の請求項にて述べられたような本システムの広く意図された趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者により考案されることも理解されるべきである。従って、明細書及び図面は、例示的態様とみなされ、添付の請求の範囲を制限することを意図していない。
添付の請求の範囲を解釈する際、
a)「有する」という語は、所与の請求項にリストされるもの以外の他の素子又はステップの存在を除外しない、
b)素子の前の「ａ」又は、「ａｎ」は、斯様な素子の複数の存在を除外しない、
c)請求項内の参照符号は、請求項の範囲を制限しない、
d)いくつかの「手段」は、同じ若しくは異なる品目又はハードウェア若しくはソフトウェアで実行される構造体又は機能により表わされてもよい、
e)開示された素子は、ハードウェア部分（例えば、ディスクリート及び集積化された電子部品回路を含む）、ソフトウェア部分（例えば、コンピュータ・プログラミング）及びこれらの何れの組み合わせを有してもよい、
f)ハードウェア部分は、アナログ及びデジタル部分の一方又は両方を有してもよい、
g)他に特に述べられない限り、開示されたデバイス又はその一部分が結合され又は他の部分に分離されてもよい、
h)特に示されない限り、行為又はステップの特定のシーケンスが必要とされるという意図はない、
ｉ）用語「複数の」素子は２つ以上の請求項の素子を含み、素子の数の何れかの特定の範囲を意味しない、すなわち、複数の素子は、わずか２つの素子でもよく、限りない数の素子を含んでもよい、ということは理解されるべきである。
以下に本願の更なる特徴を列挙する。
特徴１
力に応じて形状を変えるように構成される膜と、前記膜の上に形成される圧電層及び前記圧電層の能動部分の上に少なくとも２つの電極を持つ少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子と、可撓性フォイルとを有し、前記少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子が、前記圧電層の周囲の側で前記能動部分の隣接する側に位置される第１及び第２の支持部により、トランスデューサアレイの第１の側で前記可撓性フォイルに取り付けられる、トランスデューサアレイ。
特徴２
前記トランスデューサ素子の第２の側に他の可撓性フォイルを更に有し、前記可撓性フォイル及び前記他の可撓性フォイルが前記トランスデューサアレイの第１の側及び第２の側を実質的にカバーする、特徴１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴３
前記可撓性フォイルが前記トランスデューサ素子の半導体基板に取り付けられ、前記半導体基板が低減された厚さを持って、前記半導体基板が前記トランスデューサ素子と他の素子との接続のための少なくとも一つの分離したバイア穴を含む、特徴１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴４
前記少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子が薄膜超音波トランスデューサ素子及び薄膜焦電トランスデューサ素子を含む、請求項１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴５
第１の支持部と第２の支持部との間に位置される基板を更に有する、特徴１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴６
前記圧電層とは反対側の前記膜の側に、前記少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子の間に位置される支持部を更に有する、特徴１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴７
前記少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子が薄膜超音波トランスデューサ素子及び薄膜焦電トランスデューサ素子を含み、前記トランスデューサアレイが、前記圧電層とは反対側の前記膜の側に、少なくとも前記薄膜トランスデューサ素子と前記薄膜焦電素子との間に位置される支持部を更に有する、特徴１に記載のトランスデューサアレイ。
特徴８
少なくとも２つの電極に挟まれた圧電層を持つ少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子と、可撓性フォイルとを有し、前記少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子は、トランスデューサアレイの第１の側に前記可撓性フォイルが取り付けられ、前記可撓性フォイルの動きを強化し、前記トランスデューサアレイの形状作りを可能にするためにギャップにより分離されている、トランスデューサアレイ。
特徴９
圧電層を備える少なくとも２つの薄膜トランスデューサ素子を持つトランスデューサアレイと、焦電層を備える少なくとも２つの薄膜焦電検出器を持つ焦電アレイと、少なくとも２つの電極とを有し、前記圧電層及び前記焦電層が前記少なくとも２つの電極の間に挟まれている、デバイス。
特徴１０
可撓性フォイルを更に有し、前記トランスデューサアレイ及び前記焦電アレイに、前記可撓性フォイルが取り付けられる、特徴９に記載のデバイス。
特徴１１
前記トランスデューサアレイ及び前記焦電アレイが前記可撓性フォイルの一部をさらして離隔され、可撓性が増大されている、特徴１０に記載のデバイス。

Claims (18)

  1. 前部基板の上に膜を形成するステップと、前記膜の上に圧電層を形成するステップと、前記圧電層の能動部分の上に第１及び第２の電極を含むパターンニングされた導電層を形成するステップと、前記能動部分の隣接する側に位置される第１及び第２の支持部を持つ後部基板構造を形成するステップとを有し、第１及び第２の支持部は、前記圧電層の圧電材料と、第１及び第２の電極の導電材料とを含む、トランスデューサを形成する方法。
  2. 前記支持部の支持高さが前記圧電層及び前記パターニングされた導電層を組み合わせた高さより大きい、請求項１に記載の方法。
  3. 前記後部基板構造を形成するステップが、後部基板に前記支持部を形成するステップと、前記能動部分の隣の位置に前記支持部を取り付けるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記支持部を形成するステップが、前記支持部を形成するために前記後部基板に少なくとも一つの導電層を形成するステップ、及び前記支持部の間の前記後部基板を局所的にエッチングするステップの少なくとも一つのステップを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記後部基板構造を形成するステップが、前記圧電層及び前記パターニングされた導電層の全体の厚さを超えて、前記圧電層及び前記パターニングされた導電層の一部を含む前記支持部の厚さを増大させるために前記支持部に追加の層を形成するステップと、前記支持部の前記追加の層に後部基板をマウントするステップとを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記前部基板を完全に又は部分的に除去するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記膜を形成するステップが、前記前部基板の上にシリコン窒化層を形成するステップと、前記シリコン窒化層の上にシリコン酸化物層を形成するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 重なっている底部電極と上部電極との間の容量性結合により、直列に接続されるセグメントに前記能動部分を分割するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
  9. バイアス電圧を供給するため抵抗を前記重なっている底部電極と上部電極とに接続するステップを更に有する、請求項８に記載の方法。
  10. 他のパターニングされた導電層を形成するステップを更に有し、前記圧電層が前記パターニングされた導電層と前記他のパターニングされた導電層との間に挟まれる、請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法。
  11. 力に応じて形状を変えるように構成される膜と、前記膜の上に形成される圧電層と、前記圧電層の能動部分の上にあって、前記圧電層に接触する第１及び第２の電極を含むパターニングされた導電層と、前記圧電層の周囲の側で前記能動部分の隣接する側に位置される第１及び第２の支持部により支持される後部基板構造とを有し、前記圧電層は、前記第１及び第２の電極の間の電界に従って長手方向に振動し、第１及び第２の支持部は、前記圧電層の圧電材料と、第１及び第２の電極の導電材料とを含む、トランスデューサ。
  12. 第１及び第２の支持部の支持高さは、第１及び第２の電極が前記圧電層の一方の側に形成されるときは前記圧電層及び第１の電極の第１の結合された高さより大きく、前記支持高さは、第１及び第２の電極が前記圧電層の両側に形成されるときは前記圧電層並びに第１及び第２の電極の第２の結合された高さより大きい、請求項１１に記載のトランスデューサ。
  13. 前記膜がシリコン窒化層の上に位置されるシリコン酸化物層を有し、前記圧電層が前記シリコン酸化物層の上に位置される、請求項１１に記載のトランスデューサ。
  14. 障壁層を更に有し、前記膜はシリコン窒化層の上に形成されるシリコン酸化物層を有し、前記障壁層が前記シリコン酸化物層の上に位置され、前記圧電層が前記障壁層の上に位置される、請求項１１に記載のトランスデューサ。
  15. 請求項１１に記載のトランスデューサを有するアレイ。
  16. 請求項１１に記載のトランスデューサを有する存在検出のためのセンサ。
  17. 請求項１１に記載のトランスデューサを有する存在検出のための動きセンサ。
  18. 請求項１１に記載のトランスデューサを有する実時間イメージングのための画像センサ。
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