JP7153985B2 - 静電容量型デバイスおよび圧電型デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量型デバイスおよび圧電型デバイスに関し、より詳しくは、インピーダンス整合用の送受信板を備えた静電容量型デバイスおよび圧電型デバイスに関するものである。
超音波トランスデューサ素子は、超音波撮像装置の超音波探触子（プローブ）内に組み込まれ、超音波を送受信することにより、例えば人体内の腫瘍の診断や、建造物に発生した亀裂の非破壊検査などといった様々な用途に用いられている。
従来、この種の超音波撮像装置の探触子には、電気音響交換素子としてＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)などに代表される圧電セラミックスが用いられてきたが、近年、圧電セラミックスよりも広い帯域特性を有する容量検出型の超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、ＣＭＵＴと略称する)が注目され、研究開発が進められている（特許文献１～特許文献３）。
上記ＣＭＵＴの基本的な構造は、下部電極とその上部に配置した上部電極との間の絶縁層に空洞部（キャビティ）を設け、空洞部の上部の絶縁層と上部電極とをメンブレン（ダイヤフラムとも言う）として機能させるものである。超音波を発信する際は、上部電極と下部電極との間に直流電圧と交流電圧とを重畳して印加し、その際に両電極間に生じる静電気力によってメンブレンを交流電圧の周波数で振動させる。一方、受信の際は、メンブレンの表面に到達した超音波の圧力によってメンブレンを振動させ、その際に生じる両電極間の距離の変化を容量変化として電気的に検出する。
超音波を利用した非破壊検査においては、超音波の伝搬効率を良くするために、被検物を水中に浸漬して検査を行うことが多い。
ところが、被検物の多くは、水中において膨潤や浸水が原因となって状態が変化してしまうため、被検物を空気中で検査するニーズがある。
しかしながら、空気中を伝搬する超音波の受信素子への音響伝搬効率は０．００１％と低いため、これが空気中での高精度な検査の妨げとなっている。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
代表的な実施の形態による静電容量型デバイスは、ＣＭＵＴと、前記ＣＭＵＴのメンブレンの上部に形成された第１面積の接続部と、前記接続部を介して前記ＣＭＵＴの上方に形成された、前記第１面積よりも大きい第２面積の送受信板と、を備える。
本発明によれば、空気中での音響伝搬効率が向上した静電容量型デバイスを実現することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の静電容量型デバイス１０の単位構造を示す断面図である。静電容量型デバイス１０は、ＣＭＵＴ（超音波トランスデューサ）で構成された単位セル１１と、接続部１２を介して単位セル１１の上部に設けられたインピーダンス整合用の送受信板１３とを備えている。
図１は、本実施の形態１の静電容量型デバイス１０の単位構造を示す断面図である。静電容量型デバイス１０は、ＣＭＵＴ（超音波トランスデューサ）で構成された単位セル１１と、接続部１２を介して単位セル１１の上部に設けられたインピーダンス整合用の送受信板１３とを備えている。
単位セル（ＣＭＵＴ）１１は、単結晶シリコンからなる基板１０１上に絶縁膜１０２を介して形成された下部電極１０３と、下部電極１０３上に形成された２層の絶縁膜１０４、１０６と、２層の絶縁膜１０４、１０６の間に形成された空隙によって構成される空洞部１１０と、空洞部１１０の上方に絶縁膜１０６を介して形成された上部電極１０７と、上部電極１０７の上部に形成された３層の絶縁膜１０８、１１１、１１２と、を備えている。絶縁膜１０４、１０６、１０８、１１１、１１２は、酸化シリコン膜からなる。
ここで、絶縁膜１０６、１０８、１１１、１１２および上部電極１０７のうち、空洞部１１０の上方に位置している部分は、超音波の送受信時に振動するメンブレン１２０として機能する。また、絶縁膜１０６、１０８、１１１、１１２のうち、メンブレン１２０として機能する領域を囲んでいる部分は、メンブレン１２０を支持する固定部として機能する。
上記絶縁膜１０４、１０６、１０８、１１１、１１２を開口して形成した接続孔１１３の底部には、下部電極１０３の一部によって構成された外部接続用のパッド１１５が露出しており、絶縁膜１０８、１１１、１１２を開口して形成した接続孔１１４の底部には、上部電極１０７の一部で構成された外部接続用のパッド１１６が露出している。単位セル１１には、これらのパッド１１５、１１６に接続された導体層（図示省略）を通じて外部の電源から直流電圧および交流電圧が印加される。
下部電極１０３は、絶縁膜１０２の上部にアルミニウム合金膜などの金属膜を堆積することにより形成する。また、上部電極１０７は、絶縁膜１０６の上部にアルミニウム合金膜などの金属膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いてこの金属膜をパターニングすることにより形成する。
空洞部１１０は、絶縁膜１０４の上部に多結晶シリコン膜や金属膜などからなるダミーパターン（図示せず）を形成した後、絶縁膜１０６、１０８に形成した開口１０９を通じてダミーパターンの表面にウェットエッチング液を接触させてダミーパターンを溶解させることにより形成する。空洞部１１０の平面形状は、例えば矩形であるが、円形、楕円形、多角形などであってもよい。
単位セル１１の上部の接続部１２は、例えばウェットエッチング液に対するエッチング選択比が絶縁膜１１２とは異なる絶縁膜（例えば窒化シリコン膜）からなり、絶縁膜１１２上にこの絶縁膜と送受信板１３を構成する薄膜とを堆積した後、絶縁膜と絶縁膜１１２のエッチングレートの差を利用してパターニングすることにより形成する。
接続部１２を介して単位セル１１の上部に設けられた送受信板１３は、アルミニウム合金などの導電膜でも絶縁膜であってもよいが、密度が低く、ヤング率が高い材料が好ましい。送受信板１３の平面形状は、例えば矩形であるが、円形、楕円形、多角形などであってもよい。
なお、上述した単位セル１１を構成する電極材料や絶縁膜材料は、好ましい一例であって、これらに限定されるものではなく、半導体製造プロセスで使用される種々の材料が使用可能である。すなわち、下部電極１０３、上部電極１０７および送受信板１３としてはアルミニウム合金以外の金属材料、例えばＷ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕや、不純物を高濃度にドープした多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどを使用することもできる。また、酸化シリコン膜からなる絶縁膜に代えて、酸窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、シリコン－ドープド酸化ハフニウム膜などを使用することもできる。
本実施の形態１の静電容量型デバイス１０の特徴は、単位セル１１を構成するＣＭＵＴのメンブレン１２０と送受信板１３とが送受信板１３よりも面積の小さい接続部１２を介して接続されていることにある。送受信板１３の面積は、接続部１２の面積よりも大きいことが条件であるが、音響伝搬効率の向上の観点からは、空洞部１１０の面積よりも大きいことが望ましい。
ここで、空気のインピーダンスをＺ１（＝０００４４Ｍｒａｙｌｓ）とし、ＣＭＵＴで構成された単位セル１１のインピーダンスをＺ２（一般的なＣＭＵＴの場合＝数Ｍｒａｙｌｓ程度）とすると、空気中を伝搬して静電容量型デバイス１０の表面で反射する音の反射率（Ｒｐ）は、Ｒｐ＝（Ｚ２－Ｚ１）／（Ｚ１＋Ｚ２）で表される。すなわち、反射率（Ｒｐ）は、Ｚ２－Ｚ１が小さいほど（言い換えると、Ｚ１がＺ２に近づくほど）、小さくなる。
従って、単位セル１１の上部に接続部１２を介して接続部１２よりも大面積の送受信板１３を設けた本実施の形態の静電容量型デバイス１０によれば、見かけの空気の密度が大きくなり、空気のインピーダンス（＝密度×速度）Ｚ１が高くなるので、ＣＭＵＴ（単位セル１１）単独で構成された送受信素子に比べて反射率（Ｒｐ）が小さくなる結果、音響伝搬効率の高い送受信素子として機能することができる。
実際の静電容量型デバイス１０は、上記した単位セル１１と接続部１２と送受信板１３とからなる単位構造が基板１０１の主面の一方向あるいは互いに直交する二方向に沿って多数配置された複合構造を有している。
例えば、図２および図３（図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図）に示す複合構造の静電容量型デバイス１０は、共通に基板１０１上に多数の単位セル１１をアレイ状に形成し、これら多数の単位セル１１の上部に１枚の送受信板１３を設けると共に、それぞれの単位セル１１と送受信板１３とを単位セル１１よりも小面積の接続部１２で接続したものである。
また、図４に示す静電容量型デバイス１０のように、図１に示した単位構造を所定間隔を置いてアレイ状に配置した複合構造を採用することもできる。この場合は、図２および図３に示す複合構造に比べてアレイ化が容易になる利点がある。また、図２および図３に示す複合構造に比べて送受信板１３が小型化されるので、横波の抑制が容易になると共に、周波数設計も容易になる利点がある。
（実施の形態２）
図５は、本実施の形態２の静電容量型デバイス２０の単位構造を示す概略断面図である。本実施の形態２の静電容量型デバイス２０の特徴は、送受信板１３の一端が接続部１２と同層の絶縁膜からなる固定部１４を介して単位セル１１に支持されている点にある。また、ＣＭＵＴとして機能する空洞部１１０およびその上部のメンブレン１２０（図１参照）と接続部１２は、送受信板１３の中央部よりも固定部１４に近接した位置に配置されている。すなわち、空洞部１１０、メンブレン１２０および接続部１２は、送受信板１３の他端（図５の右端）側に比べて変形し難い固定部１４側（図５の左側）に近接した位置に配置されている。
図５は、本実施の形態２の静電容量型デバイス２０の単位構造を示す概略断面図である。本実施の形態２の静電容量型デバイス２０の特徴は、送受信板１３の一端が接続部１２と同層の絶縁膜からなる固定部１４を介して単位セル１１に支持されている点にある。また、ＣＭＵＴとして機能する空洞部１１０およびその上部のメンブレン１２０（図１参照）と接続部１２は、送受信板１３の中央部よりも固定部１４に近接した位置に配置されている。すなわち、空洞部１１０、メンブレン１２０および接続部１２は、送受信板１３の他端（図５の右端）側に比べて変形し難い固定部１４側（図５の左側）に近接した位置に配置されている。
上記のように構成された本実施の形態の静電容量型デバイス２０によれば、音波を受信する際の送受信板１３の変位を小さくすることができるので、前記実施の形態１の静電容量型デバイス１０に比べて高感度な受信が可能となる。
また、本実施の形態２の静電容量型デバイス２０の単位構造も、前記実施の形態１の静電容量型デバイス１０の単位構造と同じく、単位セル１１を構成するＣＭＵＴのメンブレン１２０と送受信板１３とが送受信板１３よりも面積の小さい接続部１２を介して接続されているので、音響伝搬効率の高い送受信素子として機能することができる。
送受信板１３の平面形状は、例えば矩形であるが、これに限定されるものではなく、例えば、図６に示すような螺旋形状とした場合には、単位セル１１に比べて大面積の送受信板１３を実現することができる。
また、前記実施の形態１の静電容量型デバイス１０と同様、実際の静電容量型デバイス２０は、上記した単位セル１１と接続部１２と送受信板１３とからなる単位構造と固定部１４とが基板１０１の主面の一方向あるいは互いに直交する二方向に沿って多数配置された複合構造を有している。
この場合も、例えば、図７に示すように、複数の送受信板１３を櫛歯状に配置したり、図８に示すように、１枚の送受信板１３をドーナッツ状に配置したり、図９に示すように、共通の固定部１４の周囲に複数の送受信板１３を放射状に配置したりするなど、種々の変形が可能である。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
前記実施の形態１の静電容量型デバイス１０や実施の形態２の静電容量型デバイス２０は、ＣＭＵＴで構成された単位セル１１の上部に接続部１２を介して送受信板１３を設けているが、例えば、圧電素子のようなＣＭＵＴ以外の送受信素子の上部に接続部を介して送受信板を設けてもよい。
圧電素子は、ＣＭＵＴに比べて音響伝搬効率は低いが、圧電素子の上部に接続部を介して送受信板を設けた場合には、圧電素子単独での使用に比べて音響伝搬効率を向上させることができる。
１０ 静電容量型デバイス
１１ 単位セル
１２ 接続部
１３ 送受信板
１４ 固定部
２０ 静電容量型デバイス
１０１ 基板
１０２ 絶縁膜
１０３ 下部電極
１０４ 絶縁膜
１０６ 絶縁膜
１０７ 上部電極
１０８ 絶縁膜
１０９ 開口
１１０ 空洞部
１１１ 絶縁膜
１１２ 絶縁膜
１１３ 接続孔
１１４ 接続孔
１１５ パッド
１１６ パッド
１２０ メンブレン
１１ 単位セル
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２０ 静電容量型デバイス
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１０７ 上部電極
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１１４ 接続孔
１１５ パッド
１１６ パッド
１２０ メンブレン
Claims (4)
- 基板、前記基板上に形成された下部電極、前記下部電極上に順次形成された第１絶縁膜と第２絶縁膜との間に設けられた空洞部、前記空洞部の上方に形成された上部電極、前記上部電極上に形成された第３絶縁膜、および前記空洞部上の前記第２絶縁膜と前記第３絶縁膜とによって構成されるメンブレン、を有する超音波トランスデューサと、
前記メンブレンの上部に形成された第１面積の接続部と、
前記接続部を介して前記超音波トランスデューサの上方に形成された、前記第１面積よりも大きい第２面積の送受信板と、
を備え、
前記送受信板の前記第２面積は、前記空洞部の面積よりも大きく、
前記送受信板の一部が固定部を介して前記超音波トランスデューサに固定されており、
前記空洞部、前記メンブレンおよび前記接続部は、前記送受信板の中央部よりも前記固定部に近接した位置に配置され、
前記送受信板の平面形状は、螺旋形状である、静電容量型デバイス。 - 請求項１記載の静電容量型デバイスにおいて、
アレイ状に配置された複数の前記超音波トランスデューサと、前記複数の前記超音波トランスデューサのそれぞれの上方に形成された前記送受信板とが、前記送受信板よりも面積の小さい前記接続部を介して接続されている、静電容量型デバイス。 - 圧電素子と、
前記圧電素子の上方に形成された第１面積の接続部と、
前記接続部を介して前記圧電素子の上方に形成された、前記第１面積よりも大きい第２面積の送受信板と、
を備え、
前記送受信板の一部が、固定部を介して前記圧電素子に固定されており、
前記圧電素子は、前記送受信板の中央部よりも前記固定部に近接した位置に配置され、
前記送受信板の平面形状は、螺旋形状である、圧電型デバイス。 - 請求項３記載の圧電型デバイスにおいて、
アレイ状に配置された複数の前記圧電素子と、前記複数の前記圧電素子のそれぞれの上方に形成された前記送受信板とが、前記送受信板よりも面積の小さい前記接続部を介して接続されている、圧電型デバイス。
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