JPH03114400A - 超音波変換器 - Google Patents
超音波変換器Info
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- JPH03114400A JPH03114400A JP25287089A JP25287089A JPH03114400A JP H03114400 A JPH03114400 A JP H03114400A JP 25287089 A JP25287089 A JP 25287089A JP 25287089 A JP25287089 A JP 25287089A JP H03114400 A JPH03114400 A JP H03114400A
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Landscapes
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、圧電体薄膜からなる振動子を備えた微小な超
音波変換器に関し、詳しくは振動子の構造の改良に関す
るものである。
音波変換器に関し、詳しくは振動子の構造の改良に関す
るものである。
（従来の技術）
近年、非接触センシングのニーズが高まるにつれて、超
音波を利用しセンシングを行なう技術が知られるように
なってきている。このようなセンシングシステムにおい
ては、送波および受波を行なう複数個の超音波変換器を
組み合わせ、かつ、これに発振回路、受信回路等の電気
回路を組み合わせて構成する必要があり、そのため装置
が大型化するという傾向がある。加えて、より情報量の
多いセンシングを行なうためには、送波／受波用の超音
波変換器をアレイ状に配置する必要が生じ、超音波変換
器および周辺の電気回路を小型軽量化することが望まれ
ている。
音波を利用しセンシングを行なう技術が知られるように
なってきている。このようなセンシングシステムにおい
ては、送波および受波を行なう複数個の超音波変換器を
組み合わせ、かつ、これに発振回路、受信回路等の電気
回路を組み合わせて構成する必要があり、そのため装置
が大型化するという傾向がある。加えて、より情報量の
多いセンシングを行なうためには、送波／受波用の超音
波変換器をアレイ状に配置する必要が生じ、超音波変換
器および周辺の電気回路を小型軽量化することが望まれ
ている。
この問題を解決する方法として、シリコンのＩＣプロセ
ス技術であるマイクロマシニング技術を応用し、シリコ
ン基板上に、単一もしくはアレイ状に配置した複数個の
マイクロ超音波変換器を形成する技術が知られている。
ス技術であるマイクロマシニング技術を応用し、シリコ
ン基板上に、単一もしくはアレイ状に配置した複数個の
マイクロ超音波変換器を形成する技術が知られている。
このマイクロ超音波変換器は、マイクロマシニング技術
の一工程である異方性エツチングにより、シリコンもし
くはシリコン酸化膜の特定形状を有する梁を形成し、そ
の上に圧電体よりなる薄膜と、この圧電体薄膜の両側の
主面に第一電極および第二電極とを形成することにより
製作される（実開昭６０−１６７４９７号公報、 Ｊａ
ｐ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２３ （１９８４） ５
ｕｐｐ１．２３−１ｐｐ。
の一工程である異方性エツチングにより、シリコンもし
くはシリコン酸化膜の特定形状を有する梁を形成し、そ
の上に圧電体よりなる薄膜と、この圧電体薄膜の両側の
主面に第一電極および第二電極とを形成することにより
製作される（実開昭６０−１６７４９７号公報、 Ｊａ
ｐ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２３ （１９８４） ５
ｕｐｐ１．２３−１ｐｐ。
１３３−１３５ ）。
この超音波変換器は、圧電体薄膜の上下の電極に加えら
れた電位差の変化に従い圧電体薄膜が伸縮し、これによ
って、剛性の小さいシリコンと圧電体薄膜により構成さ
れる梁全体が屈曲振動し、超音波を送波するように工夫
されている。また、この変換器を受波に使用する場合に
は、上述した梁が外部からの超音波により振動し、それ
にともない圧電体薄膜の上下の電極間の電位差が変化す
ることを利用し、電気回路に流れる電流変化として読み
出すことができる。
れた電位差の変化に従い圧電体薄膜が伸縮し、これによ
って、剛性の小さいシリコンと圧電体薄膜により構成さ
れる梁全体が屈曲振動し、超音波を送波するように工夫
されている。また、この変換器を受波に使用する場合に
は、上述した梁が外部からの超音波により振動し、それ
にともない圧電体薄膜の上下の電極間の電位差が変化す
ることを利用し、電気回路に流れる電流変化として読み
出すことができる。
（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、このような構造を持つ超音波変換器にお
いてはその構造が複雑となるばかりでなく、梁の形成に
シリコン基板を用いるため圧電体薄膜の成膜条件が限ら
れ、それによって、形成する薄膜の結晶軸を揃える際等
において膜性状のコントロールが困難となり、薄膜材料
の圧電特性を所望の状態とすることが難しく、超音波変
換器として充分な性能を発揮させることが難しいという
問題がある。
いてはその構造が複雑となるばかりでなく、梁の形成に
シリコン基板を用いるため圧電体薄膜の成膜条件が限ら
れ、それによって、形成する薄膜の結晶軸を揃える際等
において膜性状のコントロールが困難となり、薄膜材料
の圧電特性を所望の状態とすることが難しく、超音波変
換器として充分な性能を発揮させることが難しいという
問題がある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、従来技
術による超音波変換器と比較し構造が簡単で、高性能か
つ小型軽量の超音波変換器を提供することを目的とする
ものである。
術による超音波変換器と比較し構造が簡単で、高性能か
つ小型軽量の超音波変換器を提供することを目的とする
ものである。
（課題を解決するための手段）
本発明の超音波変換器は上下両面に電極層を形成してな
る圧電体薄膜を振動子とするものであって、この圧電体
薄膜を電気抵抗の小さい低抵抗層と、電気抵抗の大きい
高抵抗層との２層構造により形成したことを特徴とする
ものである。
る圧電体薄膜を振動子とするものであって、この圧電体
薄膜を電気抵抗の小さい低抵抗層と、電気抵抗の大きい
高抵抗層との２層構造により形成したことを特徴とする
ものである。
（作 用）
上記構成によれば、圧電体薄膜の上下両面に形成された
電極間に交流電圧が印加された場合、電界が圧電体薄膜
の高抵抗層のみに集中しこの高抵抗層部分が伸縮するの
に対し、圧電体薄膜の低抵抗層部分は電界に影響されに
くくほとんど伸縮が起こらず、これにより振動子が屈曲
振動するので、従来技術の様なシリコン梁を形成せずと
も超音波を送波することができる。又、これとは逆の現
象によって超音波を受波することができる。
電極間に交流電圧が印加された場合、電界が圧電体薄膜
の高抵抗層のみに集中しこの高抵抗層部分が伸縮するの
に対し、圧電体薄膜の低抵抗層部分は電界に影響されに
くくほとんど伸縮が起こらず、これにより振動子が屈曲
振動するので、従来技術の様なシリコン梁を形成せずと
も超音波を送波することができる。又、これとは逆の現
象によって超音波を受波することができる。
（実 施 例）
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
第１図（ａ） 、 （ｂ）は本発明の一実施例に係る超
音波変換器の振動子付近の構造を示す平面図および側面
図である。すなわち、この超音波変換器の振動子１は、
電気抵抗の小さい低抵抗層２ａと電気抵抗の大きい高抵
抗層２ｂとの２層構造からなる圧電体薄膜３の上下両面
に第１電極層４および第２電極層５を形成したものであ
って一端が基板６に支持された片持ち梁の形状をなして
いる。このような構造を有する超音波変換器においては
、圧電体薄膜３の上下の電極層４，５間に交流電圧が印
加された場合、電界が高抵抗層のみに集中するため高抵
抗層部分２ｂに伸縮が生じ、一方低抵抗層部分２ａには
伸縮が生じない。これにより、全体として梁形状を有す
る振動子１が上下に屈曲振動し、これによって超音波が
送波される。
音波変換器の振動子付近の構造を示す平面図および側面
図である。すなわち、この超音波変換器の振動子１は、
電気抵抗の小さい低抵抗層２ａと電気抵抗の大きい高抵
抗層２ｂとの２層構造からなる圧電体薄膜３の上下両面
に第１電極層４および第２電極層５を形成したものであ
って一端が基板６に支持された片持ち梁の形状をなして
いる。このような構造を有する超音波変換器においては
、圧電体薄膜３の上下の電極層４，５間に交流電圧が印
加された場合、電界が高抵抗層のみに集中するため高抵
抗層部分２ｂに伸縮が生じ、一方低抵抗層部分２ａには
伸縮が生じない。これにより、全体として梁形状を有す
る振動子１が上下に屈曲振動し、これによって超音波が
送波される。
以下、第１図に示す超音波変換器の製造方法を、第２図
に基づいて工程順に説明する。
に基づいて工程順に説明する。
基板６としては、（１００）面にそってへき関し、予め
鏡面研磨を施した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶板
を使用し、この基板６を基板加熱用ヒーターを内蔵した
多元ターゲット高周波マグネトロンスパッタリング装置
に装着する。この後、ターゲットとして酸化鉛（ｐ ｂ
ｏ）を１０％含む、チタン酸鉛（ＰｂＴｉ０３）の焼
結体からなるターゲット（ターゲットＡ）と、ＰｂＯ粉
末よりなるターゲット（ターゲットＢ）を、基板６との
距離が６．５ ａｍとなるよう配置する。
鏡面研磨を施した酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶板
を使用し、この基板６を基板加熱用ヒーターを内蔵した
多元ターゲット高周波マグネトロンスパッタリング装置
に装着する。この後、ターゲットとして酸化鉛（ｐ ｂ
ｏ）を１０％含む、チタン酸鉛（ＰｂＴｉ０３）の焼
結体からなるターゲット（ターゲットＡ）と、ＰｂＯ粉
末よりなるターゲット（ターゲットＢ）を、基板６との
距離が６．５ ａｍとなるよう配置する。
スパッタリング用チャンバ内をＩ Ｘ １０’ Ｔｏｒ
ｒ以下に真空排気した後、基板６の温度を６００℃とし
、アルゴンと酸素の流量比を１：１に調整した混合ガス
を導入してチャンバ内の雰囲気圧を３．０×１Ｏ−２Ｔ
ｏｒｒとする。この後、ターゲットＡだけを使用してス
パッタリングを行ない、基板６の表面にＰｂＴｉＯ３薄
膜からなる高抵抗層２ｂを形成する（第２図（Ａ））。
ｒ以下に真空排気した後、基板６の温度を６００℃とし
、アルゴンと酸素の流量比を１：１に調整した混合ガス
を導入してチャンバ内の雰囲気圧を３．０×１Ｏ−２Ｔ
ｏｒｒとする。この後、ターゲットＡだけを使用してス
パッタリングを行ない、基板６の表面にＰｂＴｉＯ３薄
膜からなる高抵抗層２ｂを形成する（第２図（Ａ））。
この条件で成膜される薄膜はＩＱＩＯΩ（至）以上の高
抵抗を存する。次に、基板温度を２００℃以下まで冷却
した後、ターゲットＡ及びターゲットＢの両方のターゲ
ットを使用し、上記と同様な条件でスパッタリングを行
なって鉛成分の過剰なＰｂＴｉＯ３薄膜層からなる低抵
抗層２ａを、先に形成した高抵抗層２ｂの上に連続して
形成しく第２図（Ｂ））、低抵抗層２ａと高抵抗層２ｂ
とを積層してなる圧電体薄膜３を形成する。この条件で
得られる低抵抗層２ａ部分の抵抗は１０３Ω印以下とな
る。
抵抗を存する。次に、基板温度を２００℃以下まで冷却
した後、ターゲットＡ及びターゲットＢの両方のターゲ
ットを使用し、上記と同様な条件でスパッタリングを行
なって鉛成分の過剰なＰｂＴｉＯ３薄膜層からなる低抵
抗層２ａを、先に形成した高抵抗層２ｂの上に連続して
形成しく第２図（Ｂ））、低抵抗層２ａと高抵抗層２ｂ
とを積層してなる圧電体薄膜３を形成する。この条件で
得られる低抵抗層２ａ部分の抵抗は１０３Ω印以下とな
る。
次に、第２図（Ｃ）に示す様に、ＭｇＯからなる基板６
の下面に穴開は部を設けたエツチングマスク層７を形成
し、燐酸でエツチングすることにより孔部８を形成する
（第２図（Ｄ））。この後、圧電体薄膜３の上下面に、
蒸着を用いて電極層４．５を形成しく第２図（Ｅ） ）
、最後に、ドライエツチングにより圧電体薄膜３部を
片持ち梁形状に加工し、振動子１を形成する（第２図（
Ｆ））。
の下面に穴開は部を設けたエツチングマスク層７を形成
し、燐酸でエツチングすることにより孔部８を形成する
（第２図（Ｄ））。この後、圧電体薄膜３の上下面に、
蒸着を用いて電極層４．５を形成しく第２図（Ｅ） ）
、最後に、ドライエツチングにより圧電体薄膜３部を
片持ち梁形状に加工し、振動子１を形成する（第２図（
Ｆ））。
本実施例の超音波変換器は、以上説明した様にして製作
され、圧電体薄膜３を形成する際に、低抵抗層２ａと高
抵抗層２ｂからなる二層構造を連続した成膜工程により
形成することができ、また、従来技術の様にシリコンか
らなる梁を形成する必要もないので製造工程の増加を招
くことなく容易に振動子１を製作することができる。さ
らに、異方性エツチングを行なう必要がないことから基
板６としてシリコンを使用せずともよく、これにより上
記圧電体薄膜３を形成する際に、薄膜形成材料、成膜方
法、成膜条件等の自由度が極めて高くなり変換器設計の
自由度を大きくすることができる。
され、圧電体薄膜３を形成する際に、低抵抗層２ａと高
抵抗層２ｂからなる二層構造を連続した成膜工程により
形成することができ、また、従来技術の様にシリコンか
らなる梁を形成する必要もないので製造工程の増加を招
くことなく容易に振動子１を製作することができる。さ
らに、異方性エツチングを行なう必要がないことから基
板６としてシリコンを使用せずともよく、これにより上
記圧電体薄膜３を形成する際に、薄膜形成材料、成膜方
法、成膜条件等の自由度が極めて高くなり変換器設計の
自由度を大きくすることができる。
すなわち、例えば上記ターゲットＡとターゲットＢのス
パッタリング時間比率あるいは印加電圧比率を変更する
ことで低抵抗層２ａと高抵抗層２ｂの抵抗値比率あるい
は膜厚比率を変更することができ、これにより振動子１
のたわみ量等を容易に変更することが可能となる。
パッタリング時間比率あるいは印加電圧比率を変更する
ことで低抵抗層２ａと高抵抗層２ｂの抵抗値比率あるい
は膜厚比率を変更することができ、これにより振動子１
のたわみ量等を容易に変更することが可能となる。
なお、上記製造方法においては、基板温度を下げると同
時に、不純物成分を供給するためにＰｂＯターゲットを
用いて低抵抗層の成膜を行なっているが、ＰｂＴｉＯ３
ターゲットだけを使用して成膜温度を調整することによ
り、あるいは、基板温度を常に一定にして、成膜途中に
ＰｂＯターゲットを併用する方法でも低抵抗層を形成す
ることができる。また、不純物供給用のターゲットとし
ては、ＰｂＯ以外にも、Ｐｂ、Ａｇ等の金属のターゲッ
ト、あるいは、ＢａＰｂＯ３等の酸化物のターゲットを
使用することにより、容易に圧電体薄膜の低抵抗層を形
成することができる。
時に、不純物成分を供給するためにＰｂＯターゲットを
用いて低抵抗層の成膜を行なっているが、ＰｂＴｉＯ３
ターゲットだけを使用して成膜温度を調整することによ
り、あるいは、基板温度を常に一定にして、成膜途中に
ＰｂＯターゲットを併用する方法でも低抵抗層を形成す
ることができる。また、不純物供給用のターゲットとし
ては、ＰｂＯ以外にも、Ｐｂ、Ａｇ等の金属のターゲッ
ト、あるいは、ＢａＰｂＯ３等の酸化物のターゲットを
使用することにより、容易に圧電体薄膜の低抵抗層を形
成することができる。
また、圧電体薄膜の製造方法としては、上述したスパッ
タリング法以外にも、反応性スパッタ法、ＣＶＤ法等、
各種の成膜方法を用いることができる。
タリング法以外にも、反応性スパッタ法、ＣＶＤ法等、
各種の成膜方法を用いることができる。
なお、゛上述した実施例においては、圧電体薄膜材料と
してＰｂＴｉＯ３を用いているが、本発明によれば、こ
れ以外にも、ＢａＴｉＯ３，ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）等種々の強誘電体材料、あるいはＺｎＯ等の各種
圧電体材料を使用することができる。
してＰｂＴｉＯ３を用いているが、本発明によれば、こ
れ以外にも、ＢａＴｉＯ３，ＰＺＴ（チタン酸ジルコン
酸鉛）等種々の強誘電体材料、あるいはＺｎＯ等の各種
圧電体材料を使用することができる。
さらに、本実施例の超音波変換器においては、圧電体薄
膜の高抵抗層の上に低抵抗層を形成しているが、本実施
例とは逆に、低抵抗層の上に高抵抗層を形成するように
しても同様の効果を得ることができる。また、この低抵
抗層と高抵抗層は必ずしも明確に区別されている必要は
なく、一方から他方に徐々に遷移していくような遷移層
が中間に存在する様な構成としてもよい。
膜の高抵抗層の上に低抵抗層を形成しているが、本実施
例とは逆に、低抵抗層の上に高抵抗層を形成するように
しても同様の効果を得ることができる。また、この低抵
抗層と高抵抗層は必ずしも明確に区別されている必要は
なく、一方から他方に徐々に遷移していくような遷移層
が中間に存在する様な構成としてもよい。
（発明の効果）
以上説明した様に本発明の超音波変換器によれば、従来
技術の様にシリコンやシリコン酸化物からなる梁を必要
とせず、圧電体薄膜および電極のみによって振動子を形
成しているので構造が簡単となり、装置の小型軽量化を
図ることができるとともに振動子の製造が容易となる。
技術の様にシリコンやシリコン酸化物からなる梁を必要
とせず、圧電体薄膜および電極のみによって振動子を形
成しているので構造が簡単となり、装置の小型軽量化を
図ることができるとともに振動子の製造が容易となる。
また、振動子を支持する基板として必ずしもシリコン材
料を使用せずともよく、また、スパッタリング時間やス
パッタリング電極の印加電圧を変更することにより容易
に圧電体薄膜中の２層の膜厚比率や抵抗値比率を変更す
ることができるので変換器設計の自由度が増大するとと
もに、所望の性能の超音波変換器を精度良く製作するこ
とが可能となる。
料を使用せずともよく、また、スパッタリング時間やス
パッタリング電極の印加電圧を変更することにより容易
に圧電体薄膜中の２層の膜厚比率や抵抗値比率を変更す
ることができるので変換器設計の自由度が増大するとと
もに、所望の性能の超音波変換器を精度良く製作するこ
とが可能となる。
第１図（ａ） 、 （ｂ）は本発明の一実施例に係る超
音波変換器を示す平面図および側面図、第２図は第１図
に示す超音波変換器の製造工程を示す概略図である。 ｌ・・・振動子 ２ｂ・・・高抵抗層 ４・・・第１電極層 ６・・・基板 ２ａ・・・低抵抗層 ３・・・圧電体薄膜 ５・・・第２電極層 第
音波変換器を示す平面図および側面図、第２図は第１図
に示す超音波変換器の製造工程を示す概略図である。 ｌ・・・振動子 ２ｂ・・・高抵抗層 ４・・・第１電極層 ６・・・基板 ２ａ・・・低抵抗層 ３・・・圧電体薄膜 ５・・・第２電極層 第
Claims (1)
- 電気抵抗の小さい層と電気抵抗の大きい層との２層構
造からなる圧電体薄膜の上下両面に電極層を形成してな
る振動子を有することを特徴とする超音波変換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25287089A JPH03114400A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 超音波変換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25287089A JPH03114400A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 超音波変換器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03114400A true JPH03114400A (ja) | 1991-05-15 |
Family
ID=17243312
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25287089A Pending JPH03114400A (ja) | 1989-09-28 | 1989-09-28 | 超音波変換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03114400A (ja) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02222584A (ja) * | 1989-02-23 | 1990-09-05 | Yokogawa Electric Corp | バイモルフアクチュエータ |
-
1989
- 1989-09-28 JP JP25287089A patent/JPH03114400A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02222584A (ja) * | 1989-02-23 | 1990-09-05 | Yokogawa Electric Corp | バイモルフアクチュエータ |
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