JPH05672B2 - - Google Patents

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JPH05672B2
JPH05672B2 JP2806487A JP2806487A JPH05672B2 JP H05672 B2 JPH05672 B2 JP H05672B2 JP 2806487 A JP2806487 A JP 2806487A JP 2806487 A JP2806487 A JP 2806487A JP H05672 B2 JPH05672 B2 JP H05672B2
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JP
Japan
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hole
ultrasonic transducer
lower electrode
ultrasonic
thin film
Prior art date
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JP2806487A
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JPS63196877A (en
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Kenichiro Suzuki
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は超音波トランスジユーサに関し、特に
産業用ロボツトの近接覚の検出に利用することの
できる高性能かつ小型軽量の静電型空中超音波ト
ランスジユーサの構造に関するものである。
Detailed Description of the Invention (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultrasonic transducer, and in particular to a high-performance, compact and lightweight electrostatic aerial transducer that can be used for detecting proximity sense in industrial robots. The present invention relates to the structure of a sonic transducer.

(従来の技術) 従来、産業用ロボツトの分野においては対象物
体の距離、大きさ、形状等の認識にCCD等の可
視光を用いる固体撮像センサが多く用いられてき
た。しかし、可視光を用いるセンサでは、対象物
体が透明であるときやセンサと対象物体との間の
媒体が塵等で汚れているとき等に用いることがで
きないという欠点がある。従つて、近年、可視光
にかわつて超音波を対象物体の認識に利用しよう
とする技術が登場した。超音波トランスジユーサ
においては、一つあるいは複数個のデバイスによ
り超音波の送波および受波を行なうので、超音波
の発信および受信を行う機械的要素とこれを助け
る発振回路、受信回路等の電気的要素をうまく組
み合わせて構成する必要がある。特に、ある面を
振動させて空気中に超音波を放射しようとすると
き、その面に対する空気の手ごたえ(音響インピ
ーダンス)は液体や固体に比べて非常に小さいの
で、大きな強度をもつ超音波の放射が困難であ
る。従つて、先に述べた機械的要素において効率
よく超音波が放射されるように設計することはも
ちろん、電気的要素においても増幅補償回路によ
り小信号を補償して受信する等の工夫が必要であ
る。しかし、現在一般に用いられている超音波ト
ランスジユーサは、この機械的要素の特性のデバ
イス間ばらつきがかなり大きく、必らずしも最適
に設計されているとは言えなかつた。さらに、機
械的要素と電気的要素とが一体の構造にされてい
ないため、装置の小型軽量化が困難であるという
欠点も有していた。以下、従来例を図をあげて説
明し、同時にその欠点について述べる。
(Prior Art) Conventionally, in the field of industrial robots, solid-state image sensors such as CCDs that use visible light have been widely used to recognize the distance, size, shape, etc. of a target object. However, sensors that use visible light have the disadvantage that they cannot be used when the target object is transparent or when the medium between the sensor and the target object is dirty with dust or the like. Therefore, in recent years, a technology has appeared that attempts to use ultrasonic waves instead of visible light to recognize target objects. In an ultrasonic transducer, ultrasonic waves are transmitted and received by one or more devices, so there are mechanical elements that transmit and receive ultrasonic waves, as well as oscillation circuits, receiving circuits, etc. that assist in this process. It is necessary to combine electrical elements appropriately. In particular, when trying to emit ultrasonic waves into the air by vibrating a certain surface, the response (acoustic impedance) of the air to that surface is very small compared to liquids or solids, so ultrasonic waves with high intensity are emitted. is difficult. Therefore, in addition to designing the mechanical elements mentioned above so that ultrasonic waves are emitted efficiently, it is also necessary to devise measures such as using an amplification compensation circuit to compensate for small signals and receive them in the electrical elements. be. However, in the ultrasonic transducers currently in general use, the characteristics of these mechanical elements vary considerably between devices, and it cannot be said that they are necessarily optimally designed. Furthermore, since the mechanical and electrical elements are not integrated, it is difficult to reduce the size and weight of the device. Hereinafter, a conventional example will be explained with reference to figures, and at the same time, its drawbacks will be discussed.

第4図は従来の超音波トランスジユーサの構成
例の断面を示す図である。図中47は、円形のア
ルミ合金の板で、表面に数〜数十μmの深さを持
つ複数個の穴101が機械加工により形成されて
いる。この穴101の上面には、厚さ6〜20数
μmのポリエステルの膜48が金属ケース41と
アルミ合金の板47により挟まれて固定されてい
る。ポリエステルの膜48の表面は、アルミ合金
の板47と接する面と反対の側の表面に、金箔等
による電極49が蒸着されている。図中の43は
保護スクリーンで金属ケース41に固定されてお
り、ポリエステルの膜48が外部より破損される
のを防いでいる。一方、アルミ合金の板47の裏
面には、金属よりなる板バネ46が取りつけられ
ており、アルミ合金の板47を金属ケース41に
押しつけている。また、板バネ46はプラスチツ
クケース42に固定されている。44,45は電
極端子で、44は板バネ46と一体に構成されて
おり、一方、45は金属ケース41と一体に構成
されている。従つて、電極端子44の電位は、板
バネ46を介してアルミ合金の板47と等しく、
一方、電極端子45の電位は、金属ケース41を
介して電極49と等しいことになる。
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a configuration example of a conventional ultrasonic transducer. In the figure, reference numeral 47 denotes a circular aluminum alloy plate, and a plurality of holes 101 having a depth of several to several tens of μm are formed on the surface by machining. On the upper surface of this hole 101, a polyester film 48 having a thickness of 6 to 20-odd micrometers is sandwiched and fixed between the metal case 41 and the aluminum alloy plate 47. An electrode 49 made of gold foil or the like is deposited on the surface of the polyester film 48 opposite to the surface in contact with the aluminum alloy plate 47. A protective screen 43 in the figure is fixed to the metal case 41 to prevent the polyester film 48 from being damaged from the outside. On the other hand, a plate spring 46 made of metal is attached to the back surface of the aluminum alloy plate 47, and presses the aluminum alloy plate 47 against the metal case 41. Further, the leaf spring 46 is fixed to the plastic case 42. 44 and 45 are electrode terminals, 44 is constructed integrally with the leaf spring 46, and 45 is constructed integrally with the metal case 41. Therefore, the potential of the electrode terminal 44 is equal to that of the aluminum alloy plate 47 via the plate spring 46,
On the other hand, the potential of the electrode terminal 45 is equal to that of the electrode 49 via the metal case 41.

第5図は、前記第4図で述べた静電型超音波ト
ランスジユーサの原理を示す図で、振動をおこす
機械的要素51とこれ以外の電気的要素52から
構成されている。機械的要素51は振動板51a
と固定板51bから構成されており、例えば第4
図に示す構造をもつ。一方、電気的要素52は、
超音波の送波の場合にはバイアス電圧53、抵抗
54、発振回路55から構成される。今、発振回
路55から信号が生じていないときには、振動板
51aはバイアス電圧53により固定板51bに
引かれ撓んでいる。続いて、発振回路55にバイ
アス電圧53よりも振幅の小さい交流電圧を印加
した場合には、発振回路55の両端の電圧の極性
により以下のように変化する。すなわち、発振回
路55の両端に印加された電圧の極性がバイアス
電圧53と同じときには、これら電圧の和に等し
い電位差が振動板51aと固定板51bに加わる
ために、振動板51aの撓みは大きくなる。一
方、発振回路55の電圧の極性がバイアス電圧5
3と逆の場合には、これらの電圧の差に等しい電
位差が振動板51aと固定板51bに加わるため
に、振動板51aの撓みは小さくなる。従つて、
発振回路55により発振回路の両端の電圧を周期
的に変化させるとき、振動板51aが振動し、超
音波が前面に放射される。なお、抵抗54は、振
動板51aと固定板51bの間で放電等が生じた
場合に、回路に大きな電流が流れないように回路
を保護する機能をもつている。以上超音波の送波
の場合について述べたが、受波の場合には、第5
図の55を増幅補償等を行なう受信回路とすれば
良い。このとき、外部から侵入した超音波によ
り、振動板51aが振動して、振動板51aと固
定板51abの間の容量が変化する。従つて、受
信回路55に交流電流が流れ、これを増幅補償し
てやることにより超音波の受波が可能となる。
FIG. 5 is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG. The mechanical element 51 is a diaphragm 51a
and a fixed plate 51b, for example, a fourth
It has the structure shown in the figure. On the other hand, the electrical element 52 is
In the case of ultrasonic wave transmission, it is composed of a bias voltage 53, a resistor 54, and an oscillation circuit 55. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a is pulled by the fixed plate 51b by the bias voltage 53 and is bent. Subsequently, when an AC voltage having a smaller amplitude than the bias voltage 53 is applied to the oscillation circuit 55, the polarity of the voltage across the oscillation circuit 55 changes as follows. That is, when the polarity of the voltage applied to both ends of the oscillation circuit 55 is the same as the bias voltage 53, a potential difference equal to the sum of these voltages is applied to the diaphragm 51a and the fixed plate 51b, so that the flexure of the diaphragm 51a increases. . On the other hand, the polarity of the voltage of the oscillation circuit 55 is set to the bias voltage 5.
In the case opposite to 3, a potential difference equal to the difference between these voltages is applied to the diaphragm 51a and the fixed plate 51b, so that the flexure of the diaphragm 51a becomes small. Therefore,
When the oscillation circuit 55 periodically changes the voltage across the oscillation circuit, the diaphragm 51a vibrates and ultrasonic waves are emitted to the front. Note that the resistor 54 has a function of protecting the circuit so that a large current does not flow through the circuit when discharge or the like occurs between the diaphragm 51a and the fixed plate 51b. The case of transmitting ultrasonic waves has been described above, but in the case of receiving waves, the fifth
55 in the figure may be a receiving circuit that performs amplification compensation and the like. At this time, the diaphragm 51a vibrates due to the ultrasonic waves entering from the outside, and the capacitance between the diaphragm 51a and the fixed plate 51ab changes. Therefore, an alternating current flows through the receiving circuit 55, and by amplifying and compensating this current, it becomes possible to receive ultrasonic waves.

(発明が解決しようとする問題点) 以上、例を用いて従来の静電型超音波トランス
ジユーサの説明を行つた。この中で、第4図に示
す穴101を加工する際に、従来の機械加工によ
る方法では穴の寸法や形状に若干のばらつきを避
けることができなかつた。この穴101は、第5
図に示す振動板51aと固定板51bの間の間隙
に対応するもので、その寸法や外形がばらつくと
きには、振動板51aを駆動する力がばらつき、
結局、超音波の送受波諸特性が一定にならないと
いう欠点があつた。また、先に述べたように、超
音波トランスジユーサにおいて、機械的要素と電
気的要素の組み合せは必要不可避なものであり、
従来の構造を用いて、さらに高性能のデバイスを
実現しようとすると、ますますこの電気的要素の
占める領域が大きくなり、装置が大型なものにな
るという傾向があつた。実際、アレイ化されたト
ランスジユーサの電極を結ぶ配線は、これだけで
かなりの大きさとなることが知られている。この
ように、従来の技術では、さらに高性能のデバイ
スを作製しても、デバイスの小型軽量化をはかる
ことができないという欠点があつた。
(Problems to be Solved by the Invention) The conventional electrostatic ultrasonic transducer has been described above using examples. Among these, when machining the hole 101 shown in FIG. 4, the conventional machining method could not avoid slight variations in the size and shape of the hole. This hole 101 is the fifth
This corresponds to the gap between the diaphragm 51a and the fixed plate 51b shown in the figure, and when the dimensions and outer shape vary, the force driving the diaphragm 51a varies,
In the end, there was a drawback that the transmission and reception characteristics of ultrasonic waves were not constant. Furthermore, as mentioned earlier, in ultrasonic transducers, the combination of mechanical and electrical elements is inevitable.
When attempting to realize a device with even higher performance using a conventional structure, the area occupied by the electrical elements tends to become larger and the device becomes larger. In fact, it is known that the wiring connecting the electrodes of arrayed transducers becomes quite large. As described above, the conventional technology has the disadvantage that even if a device with higher performance is manufactured, it is not possible to reduce the size and weight of the device.

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去
し、特性が均一でしかも、高性能、小型軽量の空
中超音波トランスジユーサを提供することにあ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art described above and to provide an airborne ultrasonic transducer with uniform characteristics, high performance, small size and light weight.

(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、半導体基板に微小な穴を設
け、穴の表面に下部電極を設け、穴を設けた領域
及びその周囲の領域を覆い片面に上部電極となる
導電体薄膜を形成した有機体薄膜を設けてこの有
機体薄膜と穴との間に微小な空〓を形成した超音
波トランスジユーサであつて、前記周囲の領域と
前記穴を設けた領域の間に段差を設け前者が後者
より低くなるようにしたことを特徴とする超音波
トランスジユーサ、及びこの超音波トランスジユ
ーサを複数個アレイ状に配置し、個々のトランス
ジユーサの上部または下部電極の少なくとも一方
に互いに独立の電気信号が入出力できるようにし
たことを特徴とする超音波トランスジユーサが得
られる。
(Means for Solving Problems) According to the present invention, a minute hole is provided in a semiconductor substrate, a lower electrode is provided on the surface of the hole, and an upper electrode is provided on one side covering the area where the hole is provided and the area around it. An ultrasonic transducer is provided with an organic thin film on which a conductive thin film is formed, and a microscopic cavity is formed between the organic thin film and the hole, wherein the surrounding area and the hole are formed. An ultrasonic transducer characterized in that a step is provided between regions so that the former is lower than the latter, and a plurality of such ultrasonic transducers are arranged in an array, and the upper part of each transducer is arranged in an array. Alternatively, there can be obtained an ultrasonic transducer characterized in that mutually independent electrical signals can be input and output to at least one of the lower electrodes.

(作用) 本発明の超音波トランスジユーサは、シリコン
のICプロセス技術に合致した製法と周辺回路の
集積化を可能とした静電型超音波トランスジユー
サであり、第2図に示すように弾性振動体である
ポリエステルの膜が、ポリエステル膜の上下の電
極に加えられた電位差の変化に従つて上下に可動
することにより、超音波が送波される。一方、こ
のデバイスを超音波の受波に用いる場合には、外
部超音波の圧力により上記ポリエステル膜が振動
し、この結果、ポリエステル膜の上下の電極間の
電位差が変化することを利用して、外部超音波の
圧力を(バイアス電圧が印加された)電気回路に
流れる電流値の変化として検出することが可能で
ある。この際、トランスジユーサの送受波特性の
感度を大きくするために、ポリエステル膜をシリ
コン基板上に設けられた下部電極上に密接に接触
させることが必要となる。本発明では、第2図に
一例として示すように、下部電極の表面をこの電
極の外周表面の高さよりも高くすることにより、
ポリエステル膜と下部電極とを密接に接触させる
ことを実現した。また、本発明の超音波トランス
ジユーサは、シリコン基板を用いるため、(1)シリ
コンの微細エツチング加工技術を用いてシリコン
基板上に精度良く穴をあけることができ、製造プ
ロセスから生ずるデバイス特性のばらつきを抑え
ることが可能、(2)発振回路および受信回路をシリ
コンICプロセス技術を用いて集積化することが
でき、従つて高性能超音波トランスジユーサを小
型軽量に製造することが可能となつた。
(Function) The ultrasonic transducer of the present invention is an electrostatic ultrasonic transducer that has a manufacturing method compatible with silicon IC process technology and enables integration of peripheral circuits, as shown in Fig. 2. Ultrasonic waves are transmitted by a polyester film, which is an elastic vibrating body, moving up and down according to changes in the potential difference applied to electrodes above and below the polyester film. On the other hand, when this device is used to receive ultrasonic waves, the polyester membrane vibrates due to the pressure of external ultrasonic waves, and as a result, the potential difference between the upper and lower electrodes of the polyester membrane changes. It is possible to detect the pressure of external ultrasound waves as a change in the value of current flowing through an electrical circuit (to which a bias voltage is applied). At this time, in order to increase the sensitivity of the wave transmission and reception characteristics of the transducer, it is necessary to bring the polyester film into close contact with the lower electrode provided on the silicon substrate. In the present invention, as shown in FIG. 2 as an example, by making the surface of the lower electrode higher than the outer peripheral surface of this electrode,
We have achieved close contact between the polyester film and the lower electrode. In addition, since the ultrasonic transducer of the present invention uses a silicon substrate, (1) holes can be made with high accuracy on the silicon substrate using silicon micro-etching technology, and device characteristics resulting from the manufacturing process can be (2) The oscillator circuit and receiver circuit can be integrated using silicon IC process technology, making it possible to manufacture high-performance ultrasonic transducers in a compact and lightweight manner. Ta.

(実施例) 以下、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。
(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図および第2図は、本発明の一実施例を示
すものであり、それぞれ平面図および断面図に対
応している。本実施例の超音波の送波および受波
を行う有機体薄膜のポリエステル膜48の上面に
は、金、アルミ等の上部電極49が蒸着されてい
る。このポリエステル膜48は、シリコン基板1
に開けられた未貫通のエツチング穴12の上で上
下に振動して超音波の送受波を行う。当該ポリエ
ステル膜48の主面の両側には、上部電極49お
よび下部電極6が配置されていて、送波のときは
交流電圧を印加してポリエステル膜48を振動さ
せる。受波のときはポリエステル膜48が振動す
ることによつて電圧が発生する。当該シリコン基
板1の一方の主面は、第2図に示すように当該下
部電極6の表面が下部電極の外周29の表面高さ
よりも高くなるように加工されている。これは、
下部電極6とポリエステル膜48とを互いに密接
に接触させるのに役立ち、エツチング穴12以外
の下部電極6の表面とポリエステル膜48との間
に実際上存在する微小の空隙(図示せず)を小さ
くすることができる。この微小の空隙に起因する
上部電極49と下部電極6の間の静電容量はトラ
ンスジユーサの送受波特性の感度を低下させるた
めに、これを小さくすることが望ましいものであ
る。本発明による構成をとれば、上部電極49と
下部電極6との間隔を小さくすることができ、こ
の結果、デバイスの送受波特性の感度を大きくす
ることができる。なお下部電極6とシリコン基板
1の間には酸化膜3が挿入されており、電極6と
基板1の間に電流が漏れるのを防いでいる。下部
電極6は、これも酸化膜3の上におかれたアルミ
配線(図示せず)を介してシリコン基板1に作製
された駆動および受信のための集積回路8と電気
的に接続している。また、前記エツチング穴12
は、寸法および形状を精度良く仕上げるために、
例えばシリコンの異方性エツチング技術を応用し
て作製する。これは、例えば、主面を(100)方
向に持つシリコン基板1の一方の面に、一辺が
〈110〉方向に目合せされた複数個の正方形の
SiO2膜のパターンをフオトリソグラフイ技術を
用いて形成した後、試料をヒドラジン等の異方性
エツチング液中に浸して行う。この場合には、ピ
ラミツド型の四角錐の形状をしたエツチング穴1
2ができた段階で、シリコンのエツチングが自動
的に停止するという特長がある。また、先に述べ
たように、フオトリソグラフイ技術を用いてエツ
チング穴12の形状を作製するために、微細な形
状を高い精度で形成することができること、さら
に、試料を液中に浸してエツチングを行うので、
一度に多量の試料を処理することができるという
利点がある。一方、前記下部電極の外周29は、
エツチング穴12を作製する際に同時に異方性エ
ツチング技術を用いて作製することができる。
FIG. 1 and FIG. 2 show one embodiment of the present invention, and correspond to a plan view and a sectional view, respectively. An upper electrode 49 made of gold, aluminum, or the like is deposited on the upper surface of the polyester film 48, which is an organic thin film that transmits and receives ultrasonic waves in this embodiment. This polyester film 48 covers the silicon substrate 1
The ultrasonic wave is transmitted and received by vibrating up and down above the etched hole 12 that is not penetrated. An upper electrode 49 and a lower electrode 6 are arranged on both sides of the main surface of the polyester film 48, and when transmitting waves, an AC voltage is applied to vibrate the polyester film 48. When receiving waves, the polyester film 48 vibrates to generate voltage. One main surface of the silicon substrate 1 is processed so that the surface of the lower electrode 6 is higher than the surface height of the outer periphery 29 of the lower electrode, as shown in FIG. this is,
It serves to bring the lower electrode 6 and the polyester film 48 into close contact with each other, and reduces the minute gap (not shown) that actually exists between the surface of the lower electrode 6 other than the etched hole 12 and the polyester film 48. can do. The capacitance between the upper electrode 49 and the lower electrode 6 caused by this minute gap reduces the sensitivity of the wave transmission/reception characteristics of the transducer, so it is desirable to reduce this capacitance. With the configuration according to the present invention, the distance between the upper electrode 49 and the lower electrode 6 can be reduced, and as a result, the sensitivity of the wave transmission and reception characteristics of the device can be increased. Note that an oxide film 3 is inserted between the lower electrode 6 and the silicon substrate 1 to prevent current from leaking between the electrode 6 and the substrate 1. The lower electrode 6 is electrically connected to an integrated circuit 8 for driving and receiving fabricated on the silicon substrate 1 via an aluminum wiring (not shown) also placed on the oxide film 3. . In addition, the etching hole 12
In order to finish the dimensions and shape with high precision,
For example, it is manufactured by applying silicon anisotropic etching technology. This means, for example, that a plurality of squares with one side aligned in the <110> direction are placed on one side of a silicon substrate 1 whose main surface is in the (100) direction.
After forming a pattern on the SiO 2 film using photolithography, the sample is immersed in an anisotropic etching solution such as hydrazine. In this case, the etching hole 1 is in the shape of a pyramid-shaped square pyramid.
One of the features of this method is that the silicon etching automatically stops when 2 is completed. In addition, as mentioned earlier, in order to create the shape of the etched hole 12 using photolithography technology, it is possible to form a minute shape with high precision, and furthermore, it is possible to immerse the sample in a liquid and perform etching. Because we do
It has the advantage of being able to process a large amount of samples at once. On the other hand, the outer periphery 29 of the lower electrode is
When the etching hole 12 is produced, it can be produced simultaneously using an anisotropic etching technique.

第3図は、本発明の実施例をもつ超音波トラン
スジユーサを製造する手順の一例を示したもので
ある。図において、先に本発明の一実施例として
示した第1図および第2図と同一番号は同一構成
要素を示している。同図aは、(100)面をもつシ
リコン基板1の表裏に酸化膜3をつけたものにフ
オトリソグラフイ技術を用いて前記第1図のエツ
チング穴12と同じ形状の開口30および下部電
極の外周29のための開口31を形成したもので
ある。開口30,31を形成する際には、第1図
のエツチング穴12の辺が〈110〉方向に向くよ
うに配置する必要がある。この試料をEDP(エチ
レンジアミンピロカテコール)あるいはヒドラジ
ン等の水溶液に浸して、シリコン異方性エツチン
グを行う(同図b)。EDP、ヒドラジン等の水溶
液は、シリコンの(111)面に対するエツチング
率に比べて(100)面に対するエツチング率が著
しく大きいという性質(異方性)をもつている。
従つて、同図aの試料を前記水溶液に浸すことに
より、同図bに示すエツチング穴12および溝3
2を作製することができる。続いて、エツチング
穴12および溝13に酸化膜3をつけるために試
料を再び酸化炉に入れ、その後、通常のシリコン
ICプロセス技術を用いて、送受信用の集積回路
8を形成する(同図c)。続いて下部電極6およ
び集積回路8に接続するアルミ配線(図示せず)
を蒸着等により形成する(同図d)。下部電極は、
酸化膜3との接合を良くするためにCrの下地に
Auを上においたものが望ましいが、必らずしも
これに限定されることなく、アルミ等の金属で代
用しても良い。この後、上部電極49を蒸着した
ポリエステル膜48をシリコン基板1に接着した
後、デバイスをパツケージに実装する。
FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing an ultrasonic transducer having an embodiment of the present invention. In the figures, the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2, which were previously shown as an embodiment of the present invention, indicate the same components. Figure a shows an opening 30 having the same shape as the etching hole 12 in Figure 1 and a lower electrode formed by using photolithography on a silicon substrate 1 having a (100) plane with an oxide film 3 on both sides. An opening 31 for the outer periphery 29 is formed. When forming the openings 30 and 31, it is necessary to arrange them so that the sides of the etched holes 12 in FIG. 1 face in the <110> direction. This sample is immersed in an aqueous solution of EDP (ethylenediamine pyrocatechol) or hydrazine to perform silicon anisotropic etching (Figure b). Aqueous solutions such as EDP and hydrazine have a property (anisotropy) in that the etching rate for the (100) plane of silicon is significantly higher than the etching rate for the (111) plane.
Therefore, by immersing the sample shown in Figure a in the aqueous solution, etching holes 12 and grooves 3 shown in Figure b can be formed
2 can be produced. Next, the sample is placed in the oxidation furnace again in order to form an oxide film 3 in the etching holes 12 and grooves 13, and then a normal silicon
Using IC process technology, an integrated circuit 8 for transmission and reception is formed (c in the same figure). Next, aluminum wiring (not shown) is connected to the lower electrode 6 and the integrated circuit 8.
is formed by vapor deposition or the like (d in the same figure). The lower electrode is
Cr base layer to improve bonding with oxide film 3.
Although it is desirable to have Au on top, it is not necessarily limited to this, and metals such as aluminum may be used instead. Thereafter, the polyester film 48 with the upper electrode 49 deposited thereon is adhered to the silicon substrate 1, and then the device is mounted in a package.

第6図および第7図は本願第2の発明の実施例
を示す平面図である。図において、第1図および
第2図と同一番号は同一構成要素を示している。
これらの実施例において、破線で示された矩形7
0は、第1図および第2図に示す同一下部電極上
に含まれる振動体要素を示している。ただし集積
回路8は含まれない。また、当該振動体要素70
の上下面に形成された電極はアルミ配線を介して
集積回路8の一部と接続されている(図示せず)。
第6図および第7図の実施例に示すように当該振
動体要素70を複数個並べたときには、超音波を
前面の小さな角度に強く放射したり、前面の小さ
な角度のみの超音波を強く受信したりすることが
でき、周囲の雑音に惑わされることが少なくなる
という特長がある。また、先に述べたシリコンの
異方性エツチングの技術を用いると、正確に形状
の等しい振動体要素70を同時に形成することが
できるため、品質および製造に要する時間の点か
らも少しも問題がないという特長がある。ここに
示示した実施例の他にも、中央の振動体要素70
の面積を大きくとり、周辺に行くに従つて振動体
要素70の面積を小さくした実施例もある(図示
せず)。この場合には、上記した指向性がさらに
改善され、雑音の少ない高品質のデバイスを提供
することができるという利点がある。
FIGS. 6 and 7 are plan views showing an embodiment of the second invention of the present application. In the figures, the same numbers as in FIGS. 1 and 2 indicate the same components.
In these examples, the rectangle 7 indicated by the dashed line
0 indicates a vibrating body element included on the same lower electrode shown in FIGS. 1 and 2. However, the integrated circuit 8 is not included. In addition, the vibrating body element 70
Electrodes formed on the upper and lower surfaces of are connected to a part of the integrated circuit 8 via aluminum wiring (not shown).
When a plurality of the vibrating body elements 70 are arranged as shown in the embodiments of FIGS. 6 and 7, ultrasonic waves can be strongly radiated to a small angle in the front, or ultrasonic waves can be strongly received only in a small angle in the front. It has the advantage of being less distracting from surrounding noise. Furthermore, by using the silicon anisotropic etching technique described above, it is possible to simultaneously form the vibrating body elements 70 with exactly the same shape, so there is no problem in terms of quality and manufacturing time. It has the advantage that there is no In addition to the embodiment shown here, the central vibrator element 70
There is also an embodiment (not shown) in which the area of the vibrating body element 70 is increased and the area of the vibrating body element 70 is decreased toward the periphery. In this case, there is an advantage that the above-mentioned directivity is further improved and a high-quality device with less noise can be provided.

第8図および第9図も本願第2の発明の他の実
施例を示したものであり、それぞれ平面図および
断面図に対応している。図において、第6図と同
一番号は同一構成要素を示している。本発明の実
施例においては、振動体要素70に形成された下
部電極6が下部電極の外周29を介して互いに分
離して配置されており、それぞれアルミ配線を介
して集積回路8に接続されていることに特徴があ
る。従つて、本実施例の構成をとる超音波トラン
スジユーサにおいては、各振動体要素70ごとに
異なつた強度および位相をもつ電圧を印加するこ
とが可能となる。特に、各振動体要素70に異な
つた位相をもつ電圧を印加することにより、超音
波の送波および受波の方向を変化させることがで
き、従つて、電気的に走査を行う高性能な超音波
トランスジユーサを提供できるという特徴があ
る。この実施例においては、振動体要素70の下
面の電極を各振動体要素70ごとに分離したが、
逆に、各振動体要素70の下面の電極を共通にし
て、各振動体要素70の上面の電極49を各振動
体要素70ごとに分離しても上記と同様の効果を
もつデバイスを実現することができる。第8図に
おいては1行5列の超音波トランスジユーサアレ
イを示したが、振動体要素70の個数について何
ら制限する必要はない。例えば前記第7図の実施
例において、振動体要素70上下面の電極を各振
動体要素70ごとに分離して配置し、それぞれの
電極を集積回路8に接続すると二次元の方向に電
気的に走査することのできる二次元超音波トラン
スジユーサを実現することができる。また、本実
施例で述べた超音波トランスジユーサアレイにお
いては、各振動体要素70の下面電極は通常の
ICプロセス技術を用いて同時にかつ容易に形成
することができるという点も従来技術に比べて大
きな長所である。
FIGS. 8 and 9 also show other embodiments of the second invention of the present application, and correspond to a plan view and a sectional view, respectively. In the figure, the same numbers as in FIG. 6 indicate the same components. In the embodiment of the present invention, the lower electrodes 6 formed on the vibrating body element 70 are arranged separated from each other via the outer periphery 29 of the lower electrodes, and are each connected to the integrated circuit 8 via aluminum wiring. There is something special about being there. Therefore, in the ultrasonic transducer having the configuration of this embodiment, it is possible to apply voltages having different intensities and phases to each vibrating body element 70. In particular, by applying voltages with different phases to each vibrating body element 70, the directions of ultrasonic wave transmission and reception can be changed. It has the feature of being able to provide a sonic transducer. In this embodiment, the electrodes on the lower surface of the vibrating body element 70 are separated for each vibrating body element 70, but
Conversely, even if the electrodes on the bottom surface of each vibrating body element 70 are made common and the electrodes 49 on the top surface of each vibrating body element 70 are separated for each vibrating body element 70, a device having the same effect as described above can be realized. be able to. Although FIG. 8 shows an ultrasonic transducer array with one row and five columns, there is no need to limit the number of vibrating body elements 70 at all. For example, in the embodiment shown in FIG. 7, if the electrodes on the upper and lower surfaces of the vibrating body element 70 are arranged separately for each vibrating body element 70, and each electrode is connected to the integrated circuit 8, electrical power is generated in two-dimensional directions. A two-dimensional ultrasound transducer capable of scanning can be realized. In addition, in the ultrasonic transducer array described in this embodiment, the lower surface electrode of each vibrator element 70 is
Another major advantage over conventional techniques is that they can be formed simultaneously and easily using IC process technology.

なお下部電極あるいは上部電極が分離された実
施例において、一つの振動体要素70は第1図、
第2図に示したような複数のエツチング穴を持つ
ものとして説明したがこれに限らず第1図,第2
図中のエツチング穴一個が一つの振動体要素に対
応するものと考えてもよい。
In addition, in the embodiment in which the lower electrode or the upper electrode is separated, one vibrating body element 70 is as shown in FIG.
Although the explanation has been made assuming that the etching hole has a plurality of etching holes as shown in Fig. 2, it is not limited to this.
It may be considered that one etched hole in the figure corresponds to one vibrator element.

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行
つた。なお、本発明の構成は、信号として使用す
る超音波が連続的に変化するか、あるいは一及至
数個の波長のみでパルス的に変化するか等に関係
なく成り立つものである。また、超音波の波長が
単一かあるいは複数個かにも関係なく成り立つも
のである。また、本発明の実施例においては、振
動体の下の穴中に空気が閉じこめられていたが、
この構成の他に、穴の底に開口穴を開けて空気の
流動を可能とした構成もある。さらには、穴の外
側にスポンジ等の音を吸収する物質を置く等の方
法によりデバイスの裏側の影響を少なくした構
成、および振動体の前面にホーンを配置して感度
を高くした構成も本発明に含まれる。
The present invention has been described in detail by giving examples. The configuration of the present invention is applicable regardless of whether the ultrasonic wave used as a signal changes continuously or changes in a pulsed manner with only one or a few wavelengths. This also holds true regardless of whether the ultrasonic wave has a single wavelength or multiple wavelengths. Furthermore, in the embodiment of the present invention, air was trapped in the hole under the vibrating body;
In addition to this configuration, there is also a configuration in which an opening is made at the bottom of the hole to allow air to flow. Furthermore, the present invention also includes a configuration in which the influence of the back side of the device is reduced by placing a sound-absorbing substance such as a sponge on the outside of the hole, and a configuration in which a horn is placed in front of the vibrating body to increase sensitivity. include.

なお、上記実施例において振動体の面積を大き
くしたり、厚さを薄くしたりすることにより超音
波の送波および受波の感度を大きくすることがで
きる。しかし、この場合には、同時にデバイスの
周波数特性等の変化が生ずるので、超音波センサ
を設計する際には、以上の効果を考慮して、感度
および周波数特性や電気音響変換効率等を最適に
するように振動体の寸法を決めなければならな
い。
Note that in the above embodiments, the sensitivity of ultrasonic wave transmission and reception can be increased by increasing the area of the vibrating body or decreasing its thickness. However, in this case, changes in the frequency characteristics of the device occur at the same time, so when designing an ultrasonic sensor, take the above effects into account and optimize the sensitivity, frequency characteristics, electroacoustic conversion efficiency, etc. The dimensions of the vibrator must be determined so that

(発明の効果) 以上説明したとおり、本発明によれば特性のば
らつきの少ない高性能かつ小型軽量の空中用集積
化超音波トランスジユーサを供給することが可能
となつた。その結果、産業用ロボツト等の分野で
近接覚等の検出に高性能な超音波トランスジユー
サを利用することができるようになつた。また、
本発明の超音波トランスジユーサは従来のシリコ
ンICプロセス技術と合致した製法で大量に製造
することができるため、製造コストを低減するこ
とができる。これらの効果は著しいものであり、
本発明は有効なものである。
(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, it has become possible to provide a high-performance, small-sized, lightweight aerial integrated ultrasonic transducer with little variation in characteristics. As a result, it has become possible to utilize high-performance ultrasonic transducers for detecting proximity sense and the like in fields such as industrial robots. Also,
The ultrasonic transducer of the present invention can be manufactured in large quantities using a manufacturing method that is compatible with conventional silicon IC process technology, so that manufacturing costs can be reduced. These effects are significant;
The present invention is effective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図および第2図はそれぞれ本願第1の発明
の一実施例の平面図および断面図、第3図a〜d
は本願第1の発明の実施例を製造する方法の一実
施例を示す概念図、第4図は従来の超音波トラン
スジユーサの断面図、第5図は従来の静電型トラ
ンスジユーサの原理図、第6図および第7図は本
願第2の発明の実施例を示す平面図、第8図およ
び第9図は本願第2の発明による超音波トランス
ジユーサアレイの一実施例を示す平面図および断
面図。 1…シリコン基板、3…酸化膜、6…下部電
極、8…集積回路、12…エツチング穴、29…
下部電極の外周、30,31…開口、32…溝、
41…金属ケース、42…プラスチツクケース、
43…保護スクリーン、44,45…電極端子、
46…板バネ、47…アルミ合金の板、48…ポ
リエステルの膜、49…上部電極、51…機械的
要素、51a…振動板、51b…固定板、52…
電気的要素、53…バイアス電圧、54…抵抗、
55…発信および受信回路、70…振動体要素。
1 and 2 are a plan view and a sectional view, respectively, of an embodiment of the first invention of the present application, and FIGS. 3 a to d
4 is a conceptual diagram showing an example of a method for manufacturing the embodiment of the first invention of the present application, FIG. 4 is a sectional view of a conventional ultrasonic transducer, and FIG. 5 is a sectional view of a conventional electrostatic transducer. The principle diagram, FIGS. 6 and 7 are plan views showing an embodiment of the second invention of the present application, and FIGS. 8 and 9 show an embodiment of the ultrasonic transducer array according to the second invention of the present application. Plan and sectional views. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Silicon substrate, 3...Oxide film, 6...Lower electrode, 8...Integrated circuit, 12...Etching hole, 29...
outer periphery of the lower electrode, 30, 31...opening, 32...groove,
41...metal case, 42...plastic case,
43... Protective screen, 44, 45... Electrode terminal,
46... Leaf spring, 47... Aluminum alloy plate, 48... Polyester film, 49... Upper electrode, 51... Mechanical element, 51a... Vibration plate, 51b... Fixed plate, 52...
Electrical element, 53...bias voltage, 54...resistance,
55... Transmitting and receiving circuit, 70... Vibrating body element.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 半導体基板に微小な穴を設け、穴の表面に下
部電極を設け、穴を設けた領域及びその周囲の領
域を覆い片面に上部電極となる導電体薄膜を形成
した有機体薄膜を設けてこの有機体薄膜と穴との
間に微小な空〓を形成した超音波トランスジユー
サであつて、前記周囲の領域と前記穴を設けた領
域の間に段差を設け前者が後者より低くなるよう
にしたことを特徴とする超音波トランスジユー
サ。 2 半導体基板に微小な穴を設け、穴の表面に下
部電極を設け、穴を設けた領域及びその周囲の領
域を覆い片面に上部電極となる導電体薄膜を形成
した有機体薄膜を設けてこの有機体薄膜と穴との
間に微小な空〓を形成した超音波トランスジユー
サであつて、前記周囲の領域と前記穴を設けた領
域の間に段差を設け前者が後者より低くなるよう
にした超音波トランスジユーサを複数個アレイ状
に配置し、個々のトランスジユーサの上部または
下部電極の少なくとも一方に互いに独立の電気信
号が入出力できるようにしたことを特徴とする超
音波トランスジユーサ。
[Scope of Claims] 1. A device in which a minute hole is provided in a semiconductor substrate, a lower electrode is provided on the surface of the hole, and a conductive thin film is formed on one side of the semiconductor substrate to cover the area where the hole is provided and the area around it. The ultrasonic transducer is provided with a body thin film and a microscopic cavity is formed between the organic thin film and the hole, and a step is provided between the surrounding area and the area where the hole is provided so that the former is An ultrasonic transducer characterized by being lower than the latter. 2 A microscopic hole is formed in a semiconductor substrate, a lower electrode is provided on the surface of the hole, and an organic thin film is provided covering the area where the hole is provided and the area around it with a conductive thin film formed on one side to serve as the upper electrode. An ultrasonic transducer in which a microscopic cavity is formed between an organic thin film and a hole, and a step is provided between the surrounding area and the area where the hole is provided so that the former is lower than the latter. An ultrasonic transducer characterized in that a plurality of ultrasonic transducers are arranged in an array, and mutually independent electric signals can be input and output to at least one of the upper or lower electrode of each transducer. Yusa.
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