JP5794114B2 - 圧電素子およびその製造方法と、超音波送受信プローブ - Google Patents
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Description
<送信>電気エネルギー→機械エネルギー(膜の振動)→音響エネルギー(超音波)
<受信>音響エネルギー(超音波)→機械エネルギー(膜の振動)→電気エネルギー
ここで、機械エネルギーと音響エネルギーとの間のエネルギー変換においては、音響整合が重要であり、pMUTの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。
V=g33・L・F/S
ただし、
V:出力電圧(V)
L:電極間隔(m)
F/S:圧力(N/m2)
g33:圧電出力定数((m・V)/N)
なお、圧電出力定数とは、圧力を加えたときに生じる電圧の大きさを示す定数である。
図1は、本実施形態の超音波送受信プローブ1の基本構成を示す説明図である。超音波送受信プローブ1は、保護層2と、超音波送受信トランスデューサとしてのpMUTエレメント3と、バッキング材4と、信号処理回路5とを備えている。なお、pMUTエレメント3の詳細については後述する。
図2は、pMUTエレメント3の構成を模式的に示す平面図である。同図に示すように、pMUTエレメント3は、複数の振動子としてのセル3aが2次元的に配置されて構成されている。なお、複数のセル3aが1次元的に配置されてpMUTエレメント3が構成されていてもよい。各セル3aは、振動によって超音波の発信、受信を行うダイヤフラムであるが、その詳細な構成については後述する。
次に、圧電薄膜13を菱面体晶の(001)配向膜で構成した理由について説明する。図4(a)(b)は、圧電薄膜が菱面体晶の(001)配向膜からなる場合の分極方向(図中、矢印で示す)の一例をそれぞれ示しており、特に、図4(a)は、分極処理前の分極方向を示し、図4(b)は、分極処理後の分極方向を示している。
次に、上述した圧電素子10の製造方法について、実施例1〜3として説明する。
図6(a)〜図6(h)は、実施例1の圧電素子10の製造工程を示す断面図である。まず、図6(a)に示すように、厚さ400μm程度の単結晶Siウェハからなる基板11上に、振動板12となる熱酸化膜を2μm程度形成する(第1の工程)。上記の熱酸化膜は、ウェット酸化用熱炉を用いてSiウェハを酸素雰囲気中に1200℃程度の高温にさらすことで形成することができる。なお、振動板12として、上記の熱酸化膜を形成する代わりに、窒化膜等を形成してもよい。
図7(a)〜図7(g)は、実施例2の圧電素子10の製造工程を示す断面図である。実施例2の製法は、上述した第2の工程において、シード層15上に圧電薄膜13を形成する点を除いて、実施例1と全く同じである。以下、実施例2の第2の工程について説明する。なお、実施例2の第1の工程(図7(a)参照)、第3〜第6の工程(図7(d)〜図7(g)参照)は、実施例1の第1の工程(図6(a)参照)、第3〜第6の工程(図6(e)〜図6(h)参照)とそれぞれ対応している。
図8(a)〜図8(f)は、実施例3の圧電素子10の製造工程を示す断面図である。実施例3の製法は、上述した第2の工程において、圧電薄膜13を直接熱酸化膜上に形成する点を除いて、実施例1と全く同じである。以下、実施例3の第2の工程について説明する。なお、実施例3の第1の工程(図8(a)参照)、第3〜第6の工程(図8(c)〜図7(f)参照)は、実施例1の第1の工程(図6(a)参照)、第3〜第6の工程(図6(e)〜図6(h)参照)とそれぞれ対応している。
本実施形態では、図3(a)で示したように、引出部を除いてリング状またはC字形の電極14a・14bを圧電薄膜13上に形成した圧電素子10について説明したが、電極14a・14bのパターニング形状は、上記の形状に限定されるわけではない。
3 pMUTエレメント(超音波送受信トランスジューサ)
3a セル
10 圧電素子
11 基板
11a 開口部
12 振動板
13 圧電薄膜
14 電極層
14a 電極
14b 電極
15 シード層
21 基板
Claims (6)
- 開口部を有する基板と、
前記開口部を覆うように前記基板上に形成される振動板と、
前記振動板に対して前記基板とは反対側に形成されて、前記振動板を振動させるための圧電薄膜と、
前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極とを備えた圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、菱面体晶の(001)配向膜であり、
前記圧電薄膜の膜全体としての分極方向が、前記略面内方向に揃っていることを特徴とする圧電素子。 - 前記圧電薄膜は、LaNiO3の(001)配向膜からなるからなるシード層を介して、前記振動板上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
- 請求項1または2に記載の圧電素子を1次元的または2次元的に配置して、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサを備えていることを特徴とする超音波送受信プローブ。
- 基板上に、振動板としての熱酸化膜を形成する第1の工程と、
前記熱酸化膜上に、菱面体晶の(001)配向膜からなる圧電薄膜を形成する第2の工程と、
前記圧電薄膜上に電極層を形成する第3の工程と、
前記電極層をパターニングして、前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極を形成する第4の工程と、
前記圧電薄膜をパターニングする第5の工程と、
前記基板を前記圧電薄膜とは反対側からエッチングして、前記振動板を振動させるための開口部を前記基板に形成する第6の工程とを有していることを特徴とする圧電素子の製造方法。 - 前記第2の工程は、
(001)面でカットした別基板上に、菱面体晶の(001)配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程と、
前記圧電薄膜を、前記熱酸化膜上に転写する工程とを有していることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子の製造方法。 - 前記第2の工程は、
前記熱酸化膜上に、LaNiO3の(001)配向膜からなるからなるシード層を形成する工程と、
前記シード層上に、菱面体晶の(001)配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程とを有していることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子の製造方法。
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