JPH07121159B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents

Ultrasonic transducer

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JPH07121159B2
JPH07121159B2 JP60061332A JP6133285A JPH07121159B2 JP H07121159 B2 JPH07121159 B2 JP H07121159B2 JP 60061332 A JP60061332 A JP 60061332A JP 6133285 A JP6133285 A JP 6133285A JP H07121159 B2 JPH07121159 B2 JP H07121159B2
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JP
Japan
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vibrating body
ultrasonic transducer
electrode
peripheral circuit
circuit
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JP60061332A
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Japanese (ja)
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健一郎 鈴木
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NEC Corp
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Description

【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ューサに関し、特に産業用ロ
ボットの近接覚の検出に利用することのできる高性能か
つ小型軽量の空中音波トランスジューサの構造に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer, and more particularly to a structure of a high-performance, small-sized and lightweight aerial acoustic transducer that can be used for detecting a sense of proximity of an industrial robot. Is.

(従来技術とその問題点) 従来、産業用ロボッ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。従って、近年、
可視光にかわっ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。超音波トランジューサにおいて
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、超音波の発振および受信を行
な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。従って、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
波トランスジューサは、この機械的要素と電気的要素が
一体とはならずに分離している。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 and its Problems) Conventionally, in the field of industrial robots, solid-state imaging sensors using visible light such as CCD have been widely used for recognizing the distance, size, shape, etc. of a target object. However, a sensor using visible light has a drawback that it 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 technique that uses ultrasonic waves instead of visible light to recognize a target object has appeared. In an ultrasonic transducer, ultrasonic waves are transmitted and received by one or a plurality of devices. Therefore, mechanical elements for oscillating and receiving ultrasonic waves and electrical elements such as an oscillation circuit and a receiving circuit for assisting this are provided. It is necessary to make a good combination of physical elements. In particular, when trying to radiate ultrasonic waves into the air by vibrating a certain surface, the response (acoustic impedance) of the air to that surface is much smaller than that of liquid or solid, so the emission of ultrasonic waves with high intensity Is difficult. Therefore, it is necessary to design the mechanical element so that the ultrasonic waves are efficiently radiated, and also to improve the electrical element so that the small signal is compensated and received by the amplification compensation circuit. However, in the ultrasonic transducers that are commonly used at present, the mechanical element and the electrical element are not integrated but separated. Hereinafter, a conventional example will be described with reference to the drawings, and at the same time, its defects will be described.

第4図は従来の超音波トランスジュ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、
中央に数十〜数百μmの深さをもつ溝101が形成されて
いる。この溝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
り挿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。
FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a configuration example of a conventional ultrasonic transducer. In the figure, 47 is a circular aluminum alloy plate,
A groove 101 having a depth of several tens to several hundreds μm is formed in the center. On the upper surface of the groove 101, a polyester film 48 having a thickness of 6 to 20 μm is inserted and fixed by a metal case 41 and an aluminum alloy plate 47. On the surface of the polyester film 48, an electrode 49 made of gold foil or the like is vapor-deposited on the surface opposite to the surface in contact with the aluminum alloy plate 47.

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
ブラスチックケース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。従って電極
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をて
電極49と等しい。これより電極端子44,45に電圧が印加
されるとき、この印加電圧と等しい電圧がアルミ合金の
板47と電極49の間に生じ、静電気力によりポリエステル
の膜48を撓ませる。従って、この電極端子44,45に印加
する電圧が交流で変化するとき、ポリエステルの膜48に
働く静電気力も交流で変化して、ポリエステルの膜48を
振動させ、この結果、超音波が前面に放射される。第5
図は、前記第4図で述べた静電型超音波トランスジュー
サの原理を示す図で、振動をおこす機会的要素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5
1b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よりも小さい交流電圧が生じた場合には、発振回
路55の両端に生ずる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の両端に生ずる電圧の極性が
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、発信回路55の電圧の極
性がバイアス電圧53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。従って、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
する機能をもっている。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、振動幅51a
と固定板51bの間の容量が変化する。従って、受信回路5
5に交流電流が流れ、これを増幅補償してやることによ
り超音波の受信が可能となる。以上、例を用いて従来の
静電型超音波トランスジューサの説明を行なった。ここ
で示したように、超音波トランスジューサにおいて、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、従来例として第4図に示した超音波トランスジュ
ーサにおいても第4図の機械的要素に外付けの電気回路
を付帯して全体を構成していた。従って、従来の構造で
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、装置を大型なもの
にするという傾向があった。この傾向は、超音波トラン
スジューサアレイを実現しようとするときにますます問
題となった。
Reference numeral 43 in the figure denotes a protective screen which is fixed to the metal case 41 and prevents the polyester film 48 from being damaged from the outside. On the other hand, a leaf spring 46 made of metal is attached to the back surface of the aluminum alloy plate 47.
47 is pressed against the metal case 41. The leaf spring 46 is fixed to the plastic case 42. 44 and 45 are electrode terminals, and 44 is formed integrally with the leaf spring 46, while
45 is formed 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 leaf spring 46, while the potential of the electrode terminal 45 is equal to that of the electrode 49 through the metal case 41. Thus, when a voltage is applied to the electrode terminals 44 and 45, a voltage equal to this applied voltage is generated between the aluminum alloy plate 47 and the electrode 49, and the polyester film 48 is bent by the electrostatic force. Therefore, when the voltage applied to the electrode terminals 44, 45 changes with alternating current, the electrostatic force acting on the polyester film 48 also changes with alternating current, causing the polyester film 48 to vibrate, and as a result, ultrasonic waves radiate to the front surface. To be done. Fifth
The figure is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG. 4, and is composed of an opportunistic element 51 for vibrating and an electrical element 52 other than this. Mechanical element 51
Is composed of a vibrating plate 51a and a fixed plate 51b, and has, for example, the structure shown in FIG. On the other hand, the electrical element 52 is a bias voltage 53, a resistor 54, an oscillator circuit 55 in the case of ultrasonic wave transmission.
Composed of. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a is fixed by the bias voltage 53.
It is pulled and bent by 1b. Then, when an alternating voltage smaller than the bias voltage 53 is generated in the oscillation circuit 55, it changes as follows depending on the polarity of the voltage generated across the oscillation circuit 55. That is, when the polarity of the voltage generated across 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 vibrating plate 51a and the fixed plate 51b.
The deflection of 51a becomes large. On the other hand, when the polarity of the voltage of the oscillator circuit 55 is opposite to the bias voltage 53, a potential difference equal to the difference between these voltages is applied to the vibrating plate 51a and the fixed plate 51b.
The deflection of the diaphragm 51a becomes small. Therefore, when the voltage across the oscillation circuit is periodically changed by the oscillation circuit 55,
The diaphragm 51a vibrates and ultrasonic waves are radiated to the front surface. The resistor 54 has a function of protecting the circuit so that a large current does not flow in the circuit when a discharge or the like occurs between the vibrating plate 51a and the fixed plate 51b. Although the case of transmitting ultrasonic waves has been described above, in the case of receiving waves, 55 in FIG. 5 may be used as a receiving circuit for performing amplification compensation and the like. At this time, the vibration plate 51a is vibrated by the ultrasonic waves entering from the outside, and the vibration width 51a
And the capacity between the fixed plate 51b changes. Therefore, the receiving circuit 5
An alternating current flows in 5, and ultrasonic waves can be received by amplifying and compensating this. The conventional electrostatic ultrasonic transducer has been described above with reference to examples. As shown here, in the ultrasonic transducer, it is inevitable to combine the mechanical element and the electric element, and the ultrasonic transducer shown in FIG. 4 as a conventional example also has the mechanical element of FIG. The whole was configured with an external electric circuit. Therefore, in order to realize a high-performance device with the conventional structure, the area occupied by these electrical elements becomes larger and larger, and the device tends to be large. This trend has become increasingly problematic when trying to realize ultrasonic transducer arrays.

実際、アレイ化されたトランスジュ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。
In fact, it is known that the wiring connecting the electrodes of the arrayed transducers will be quite large.

一方、先に述べたように産業用ロボットの分野において
高性能かつ小型の超音波トランスジューサが必要とされ
ている。従って、超音波トランスジューサの電気的要素
をシリコンのICプロセス技術を利用して集積化し、これ
を振動を行なう機械的要素を一体に成形して小型軽量を
実現したデバイスが切に望まれていた。しかし、従来の
構造をもつ超音波トランスジューサにおいては、機械的
要素をシリコンのICプロセス技術と合致して製造するこ
とが不可能なため、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った。
On the other hand, as mentioned above, a high-performance and small-sized ultrasonic transducer is required in the field of industrial robots. Therefore, there has been a strong demand for a device in which electrical elements of an ultrasonic transducer are integrated by utilizing silicon IC process technology and mechanical elements for vibrating the elements are integrally formed to realize a small size and a light weight. However, the ultrasonic transducer with the conventional structure has a drawback that it is impossible to reduce the size and weight of the device because it is impossible to manufacture the mechanical element in conformity with the silicon IC process technology. .

(発明の目的) 本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し高性能か
つ小型軽量の空調超音波トランスジューサを提供するこ
とにある。
(Object of the Invention) An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art and provide a high-performance, compact and lightweight air conditioning ultrasonic transducer.

(発明の構成) 上記目的を達成するために、本発明は、高濃度のボロン
不純物を含む矩形のシリコン薄板の上面に酸化膜を設
け、矩形の圧電体薄膜の上面に上部電極を下面に下部電
極を設けたものを酸化膜の上面に設けて振動体を構成
し、シリコン基板上の周辺部に周辺回路を設け、振動体
の下面の少なくとも一辺をシリコン基板と連結し、しか
も、振動体の個々の面積がシリコン基板の中心から離れ
るにしたがって大きくなるか又は小さくなるように振動
体を二次元的に複数個設け、振動体の上部電極の一部と
周辺回路の上にポリイミド樹脂を設け、ポリイミド樹脂
に開けられたスルーホールを介して振動体の上部電極と
周辺回路を接続したものである。
(Structure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention provides an oxide film on the upper surface of a rectangular silicon thin plate containing a high concentration of boron impurities, and an upper electrode on the upper surface of a rectangular piezoelectric thin film and a lower surface on the lower surface. An electrode is provided on the upper surface of the oxide film to form a vibrating body, a peripheral circuit is provided on the periphery of the silicon substrate, and at least one side of the lower surface of the vibrating body is connected to the silicon substrate. A plurality of vibrators are provided two-dimensionally so that each area increases or decreases as the distance from the center of the silicon substrate increases, and a polyimide resin is provided on a part of the upper electrode of the vibrator and the peripheral circuit. The upper electrode of the vibrating body and the peripheral circuit are connected through a through hole formed in the polyimide resin.

(発明の作用原理) 本発明の超音波トランスジューサは、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
たモノリシック超音波トランスジューサであり、第2図
に示すように剛性の小さいシリコン薄板と圧電薄膜によ
り主に構成された片持ち染等の形状を持つ振動体が、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っ
て上下に可動し、超音波を送波するように工夫されてい
る。また、このデバイスを超音波の受波に用いる場合に
は、上記振動体が外部超音波により振動するとき圧電体
薄膜の上下の電極間の電位差が変化することを利用し
て、電気回路に流れる電流の変化として読み出すことが
できるようにいなっている。また、上記振動体をシリコ
ン基板上に作製することが可能なため、同時に発振回路
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、従って高性能超音波トランスジュー
サを小型軽量に製造することが可能となった。また、振
動体の圧電体薄膜の上下の電極と集積回路との接続にポ
リイミド樹脂を塗布してこの上に配線をおくことによ
り、配線の切断を防ぐことができ、デバイス作製の歩留
りが著しく向上した。
(Principle of Operation of the Invention) The ultrasonic transducer of the present invention is a monolithic ultrasonic transducer capable of integrating a peripheral circuit with a manufacturing method conforming to the IC process technology of silicon, and has a small rigidity as shown in FIG. A vibrating body mainly composed of a silicon thin plate and a piezoelectric thin film and having a shape such as a cantilever dye moves up and down according to the change in the potential difference applied to the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film to transmit ultrasonic waves. Has been devised. When this device is used to receive ultrasonic waves, it flows into an electric circuit by utilizing the fact that the potential difference between the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film changes when the vibrator vibrates by external ultrasonic waves. It can be read as a change in current. In addition, since the vibrating body can be manufactured on the silicon substrate, the oscillation circuit and the receiving circuit can be integrated at the same time by using the silicon IC process technology, and therefore, a high-performance ultrasonic transducer can be manufactured in a small size and a light weight. It became possible to do. Also, by coating the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film of the vibrating body and the integrated circuit with polyimide resin and placing the wiring on this, it is possible to prevent disconnection of the wiring and significantly improve the device manufacturing yield. did.

(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, the Example of this invention is described with reference to 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なう振動体20は、
ボロンの不純物を高濃度(≧1×1020cm-3)に含むシリ
コン薄板2とZnO,AlN等の圧電体薄膜4とから主に構成
されており矩形のシリコン薄板2の一辺はシリコン基板
1と一体に連結して片持ち染の形状を形成している。こ
の振動体20は、シリコン基板1に彫られた溝12の中で上
下に振動して超音波の送受波を行なう。圧電体薄膜4の
主面の両側には上部電極5および下部電極6が配置され
ていて、振動体20が振動する際に異なる電位差が印加あ
るいは発生する。なお下部電極6とシリコン薄板2の間
には酸化膜3が挿入されており、電極6と薄漠2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21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。一方、上部電極5と集積回路8
を接続する際には、従来配線の径路に圧電体薄膜の厚さ
による段差が存在するためにアルミ配線が切断するとい
うことがしばしば生じた。この欠点を解決するために、
上記上部電極5の一部と集積回路8の上にポリイミド樹
脂7を塗布して、このポリイミド樹脂7に上部電極5に
つながるスルーホール11および集積回路につながるスル
ーホール10の開口を設けると共に、各スルーホール10お
よび11を導通させるアルミ配線9をポリイミド樹脂7の
上に作製する、という構成を用いた。この結果、アルミ
配線9の断線を完全に防ぐことができるようになった。
なお、本実施例で述べた発信回路および受信回路は、特
に限定されるものでなく、全ての周知の回路技術を本発
明に含むことは言うまでもない。
1 and 2 show an embodiment of the present invention and correspond to a plan view and a sectional view, respectively. The vibrating body 20 that transmits and receives ultrasonic waves of the present embodiment is
A silicon thin plate 2 containing a high concentration of boron impurities (≧ 1 × 10 20 cm −3 ) and a piezoelectric thin film 4 of ZnO, AlN or the like is mainly used. One side of the rectangular silicon thin plate 2 is a silicon substrate 1. And cantilevered dyeing to form a cantilever dye. The vibrating body 20 vibrates vertically in the groove 12 engraved in the silicon substrate 1 to transmit and receive ultrasonic waves. An upper electrode 5 and a lower electrode 6 are arranged on both sides of the main surface of the piezoelectric thin film 4, and different potential differences are applied or generated when the vibrating body 20 vibrates. An oxide film 3 is inserted between the lower electrode 6 and the silicon thin plate 2 to prevent a current from leaking between the electrode 6 and the thin plate 2. The lower electrode 6 is also electrically connected to an integrated circuit 8 for driving and receiving formed on the silicon substrate 1 via an aluminum wiring 21 also placed on the oxide film 3. On the other hand, the upper electrode 5 and the integrated circuit 8
At the time of connecting, the aluminum wiring was often cut due to the presence of a step due to the thickness of the piezoelectric thin film in the path of the conventional wiring. To solve this drawback,
A part of the upper electrode 5 and the integrated circuit 8 are coated with a polyimide resin 7, and the polyimide resin 7 is provided with through holes 11 connected to the upper electrode 5 and through holes 10 connected to the integrated circuit. The aluminum wiring 9 for connecting the through holes 10 and 11 to each other is formed on the polyimide resin 7 to be used. As a result, it has become possible to completely prevent disconnection of the aluminum wiring 9.
It is needless to say that the transmitting circuit and the receiving circuit described in this embodiment are not particularly limited, and all known circuit technologies are included in the present invention.

第3図は、本発明の実施例をもつ周波数トランスジュー
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をつけたものにフォトエッチング技術を用いて前
記第1図の振動体20と同じ形状の開口穴30を形成したも
のである。開口穴30を形成する際には、第1図の振動体
20の4辺の方向が(110)方向に向くように注意する必
要がある。この開口穴30を通して高濃度のボロンを拡散
し、後にシリコン薄板2となる領域を形成する(同図
(b))。再び図の上面全体を酸化膜3で覆い、第1図
の溝12と同じ形状の開口穴31をフォトエッチング技術に
より形成する(同図(c))。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、シリコンの異方性エッチングを行なう
(同図(d))。EDP、ヒドラジン等の水溶液は、シリ
コンの(111)面に対するエッチング率に比べて(100)
面に対するエッチング率が著しく大きいという性質(異
方性)と共に、1×1020cm-3以上の高濃度ボロン不純物
を含むシリコンのエッチング率が著しく小さいという選
択性をもっている。従って、同図(c)の試料を前記水
溶液に浸すことにより、同図(d)に示すシリコン薄板
2および溝12を作製することができる。続いて、通常の
シリコンICプロセス技術を用いて、送受信用の周辺回路
8を形成し、この周辺回路8に第1の配線用のコンタク
ト穴32を開ける(同図(e))。続いて下部電極6を蒸
着等により形成する(同図(f))。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。しかし、先の
コンタクト穴32を通して周辺回路8とオーミックに導通
していることは必要である。この後、ZnO,AlN等の圧電
材料をスパッタ等によりシリコン秋板2の上に堆積して
圧電体薄膜4を形成し、この上に上部電極5を形成する
(同図(g))。圧電体薄膜4に通常の誘電分極処理を
施こし、集積回路8に第2の配線用コンタクト穴33を開
けた後、ポリイミド樹脂を用いて塗布→ベーク→エッチ
ングの工程を順次行なうことにより、同図(b)に示す
7と、上部電極5と通ずるスルーホール11および前記第
2のコンタクト穴33に通ずるスルーホール10を作製す
る。
FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing a frequency transducer having an embodiment of the present invention. In the drawings, the same reference numerals as those shown in FIGS. 1 and 2 which have been shown as an embodiment of the present invention indicate the same components. In the figure, (a) shows an opening hole 30 having the same shape as the vibrating body 20 shown in FIG. It was done. When forming the opening hole 30, the vibrating body of FIG.
Care must be taken that the four sides of 20 are oriented in the (110) direction. High-concentration boron is diffused through this opening 30 to form a region which will later become the silicon thin plate 2 (FIG. 2B). Again, the entire upper surface of the drawing is covered with the oxide film 3, and the opening hole 31 having the same shape as the groove 12 of FIG. 1 is formed by the photoetching technique (FIG. 2C). This sample is immersed in an aqueous solution of EDP (ethylenediaminepyrocatechol) or hydrazine to anisotropically etch silicon (FIG. 2 (d)). Aqueous solutions of EDP, hydrazine, etc. are (100) less than the etching rate for the (111) surface of silicon.
It has the property that the etching rate with respect to the surface is extremely large (anisotropic), and the etching rate of silicon containing a high concentration boron impurity of 1 × 10 20 cm −3 or more is extremely small. Therefore, the silicon thin plate 2 and the groove 12 shown in FIG. 9D can be manufactured by immersing the sample shown in FIG. Then, the peripheral circuit 8 for transmission / reception is formed by using a normal silicon IC process technology, and the contact hole 32 for the first wiring is formed in the peripheral circuit 8 (FIG. 8E). Then, the lower electrode 6 is formed by vapor deposition or the like ((f) in the figure). In order to improve the bonding with the oxide film 3, it is preferable that the lower electrode has Au as an underlayer of Cr, but the lower electrode is not necessarily limited to this, and a metal such as aluminum may be used instead. However, it is necessary that the peripheral circuit 8 is electrically connected to the peripheral circuit 8 through the contact hole 32. Then, a piezoelectric material such as ZnO or AlN is deposited on the silicon autumn plate 2 by sputtering or the like to form a piezoelectric thin film 4, and an upper electrode 5 is formed on the piezoelectric thin film 4 (FIG. 9 (g)). The piezoelectric thin film 4 is subjected to a normal dielectric polarization treatment, the second wiring contact hole 33 is opened in the integrated circuit 8, and then the steps of coating, baking, and etching are sequentially performed using a polyimide resin. 7A and 7B, a through hole 11 communicating with the upper electrode 5 and a through hole 10 communicating with the second contact hole 33 are prepared.

最後に、ポリイミド樹脂7の上にスルーホール10および
11を介して上部電極5と周辺回路8を電気的に接続させ
るアルミ配線9を形成する(同図(i))。
Finally, the through hole 10 and the polyimide resin 7
An aluminum wiring 9 is formed to electrically connect the upper electrode 5 and the peripheral circuit 8 via 11 (FIG. 9 (i)).

第6図は本発明の他の実施例を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing another embodiment of the present invention.

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。本発明の実施例は、高濃度ボロンが
エピタキシヤル成長により表面に形成された(100)の
面方位をもつシリコン基板を用いて、第1図および第2
図の構造を実現した点に特徴がある。このエピ基板を用
いると、周辺回路8および溝12が形成される領域の表面
ボロン層を除去する工程が新たに必要となる。これは硝
酸・フッ酸・酢酸等の混合液を用いて容易に実現するこ
とができる。
In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. The embodiment of the present invention uses a silicon substrate having a (100) plane orientation in which high-concentration boron is formed on the surface by epitaxial growth, and FIGS.
The feature is that the structure of the figure is realized. If this epitaxial substrate is used, a new step of removing the surface boron layer in the region where the peripheral circuit 8 and the groove 12 are formed is required. This can be easily realized by using a mixed solution of nitric acid, hydrofluoric acid, acetic acid and the like.

同図の61および62は、この工程により残ったボロン層を
示したものである。この後、第3図(c)〜(i)と同
じ工程を行ない、第6図に示す超音波トランスジューサ
を作製することができた。本発明は、先の第1図および
第2図に示す発明に比べて、第3図(b)の工程が不要
であることおよびシリコン薄板の厚さを精度よく制御す
ることができるという長所をもっている。また、本発明
においては、下部電極6と周辺回路8の間にも段差が存
在することになったが、先と同様にこれら下部電極6と
周辺回路8の配線をスルーホールを介してポリイミド樹
脂7を介して接続することにより、断線の問題を克服す
ることができた(図示せず)。
Reference numerals 61 and 62 in the same figure show the boron layer remaining after this step. After that, the same steps as those in FIGS. 3C to 3I were performed, and the ultrasonic transducer shown in FIG. 6 could be manufactured. The present invention has the advantages that the step of FIG. 3 (b) is unnecessary and the thickness of the silicon thin plate can be controlled with high accuracy, as compared with the inventions shown in FIGS. 1 and 2 above. There is. Further, in the present invention, there is a step between the lower electrode 6 and the peripheral circuit 8 as well. However, similarly to the above, the wiring of the lower electrode 6 and the peripheral circuit 8 is polyimide resin via the through hole. By connecting via 7, the problem of disconnection could be overcome (not shown).

第7図および第8図は本発明の他の実施例を示す平面図
である。
7 and 8 are plan views showing another embodiment of the present invention.

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
された複数の矩形70は、第1図および第2図に示す周辺
回路8を除く振動体要素を示している。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
て周辺回路8の一部を接続されている(図示せず)。第
7図および第8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、同図の雑音に惑らされる
ことが少なくなるという特長がある。また、単一の大き
な面積をもつ片持ち染構造と比較して、本実施例に示す
ように小さな複数個の片持ち染に分割するときには、基
本モード以外の高調波の信号を減少させることができる
という利点があり、これも同様に信号の雑音の減少に役
立つ。さらに、前記第3図(d)の説明で述べたシリコ
ン異方性エッ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少しも問題がない
という特長がある。ここに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、周辺に行くに従っ
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。
In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. In these embodiments, a plurality of rectangles 70 indicated by broken lines indicate the vibrator elements except the peripheral circuit 8 shown in FIGS. 1 and 2. The electrodes formed on the upper and lower surfaces of the vibrating body element 70 are connected to part of the peripheral circuit 8 via aluminum wiring (not shown). As shown in the embodiment of FIG. 7 and FIG.
When multiple 70s are lined up, ultrasonic waves can be emitted strongly at a small front angle, or ultrasonic waves at only a small front angle can be strongly received, and the noise in the figure can be confusing. There is a feature that it decreases. Further, compared with a single cantilevered structure having a large area, when dividing into a plurality of small cantilevered dyes as shown in this embodiment, it is possible to reduce harmonic signals other than the fundamental mode. The advantage is that it also helps reduce signal noise. Further, when the silicon anisotropic etching technique described in the explanation of FIG. 3 (d) is used, it is possible to form the vibrating body elements 70 having exactly the same shape at the same time.
There is no problem in terms of quality and manufacturing time. In addition to the embodiment shown here, there is also an embodiment in which the area of the vibrator element 70 in the center is increased and the area of the vibrator element 70 is decreased toward the periphery (not shown). In this case, there is an advantage that the above directivity is further improved and a high-quality device with less noise can be provided.

第9図も本発明の他の実施例である。FIG. 9 also shows another embodiment of the present invention.

図において、第7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の上面
に形成された電極が各振動体要素70ごとに分離して配置
されており、それぞれアルミ配線を介して周辺回路8に
接続されていることに特徴がある。従って、本実施例の
構成をとる超音波トランスジューサにおいては、各振動
体要素70ごとに異なっ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
っ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、従って、
電気的に走査を行なう高性能な超音波トランスジューサ
を提供できるという特長がある。この実施例において
は、振動体要素70の上面の電極を各振動体要素70につい
て分離したがこの外に、各振動体要素70の上面の電極を
共通にして、各振動体要素70の下面の第二の電極(図示
せず)を各振動体要素70ごとに分離しても上と同様の効
果をもつデハイズを実現することができる。第9図にお
いては1行5列の超音波トランスジューサアレイを示し
たが、振動体要素70の個数について何ら制限される必要
はない。例えば、前記第8図の実施例において、振動体
要素70上面の電極を各振動体要素70ごとに分離して配置
し、それぞれの電極を周辺回路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
ンスジュ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ューサアレイにおいては、各
振動体要素70の上面電極は通常の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。
In the figure, the same numbers as in FIG. 7 indicate the same components. In the embodiment of the present invention, the electrodes formed on the upper surface of the vibrating body element 70 are separately arranged for each vibrating body element 70, and are connected to the peripheral circuit 8 via aluminum wiring. Is characterized by. Therefore, in the ultrasonic transducer having the configuration of this embodiment, it becomes possible to apply voltages having different intensities and phases to the respective vibrating body elements 70. In particular, by applying voltages having different phases to the respective vibrating body elements 70, it is possible to change the directions of transmission and reception of ultrasonic waves.
It has the feature that it can provide a high-performance ultrasonic transducer that electrically scans. In this embodiment, the electrodes on the upper surface of the vibrating body element 70 are separated for each vibrating body element 70, but in addition to this, the electrode on the upper surface of each vibrating body element 70 is shared, Even if the second electrode (not shown) is separated for each vibrator element 70, the dehydration having the same effect as above can be realized. Although FIG. 9 shows an ultrasonic transducer array of 1 row and 5 columns, the number of the vibrator elements 70 need not be limited. For example, in the embodiment shown in FIG. 8, when the electrodes on the upper surface of the vibrating body element 70 are separately arranged for each vibrating body element 70 and each electrode is connected to the peripheral circuit 8, the electrodes are electrically connected in a two-dimensional direction. A two-dimensional ultrasonic transducer capable of scanning can be realized. Further, in the ultrasonic transducer array described in the present embodiment, the upper electrode of each vibrating element 70 can be simultaneously and easily formed by using a normal IC process technique, which is also large compared with the conventional technique. It is an advantage.

以上、発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。The invention has been described in detail above with reference to examples.

先に述べた振動体では一辺のみが基板に連結した所謂片
持ち染の構造であったが、この外に周囲の全ての辺が固
定されたダイアフラム構造に対しても本発明が成立する
ことは言うまでもない。
The above-mentioned vibrating body has a so-called cantilever structure in which only one side is connected to the substrate, but the present invention is not applicable to a diaphragm structure in which all the peripheral sides are fixed in addition to this. Needless to say.

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、あるいは一乃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等かにも関
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、振動体の下の溝中に空気が閉じこめられていた
が、この構成の外に、溝の底に穴を開けて空気の流動を
可能とした構成もある。さらには溝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 configuration of the present invention is established regardless of whether the ultrasonic wave used as a signal changes continuously or changes in a pulsed manner with only one or several wavelengths.
Further, it is established regardless of whether the wavelength of ultrasonic waves is single or plural. Further, in the embodiment of the present invention, the air is confined in the groove below the vibrating body, but in addition to this structure, there is also a structure in which a hole is opened in the bottom of the groove to allow the air to flow. . Further, the present invention also has a configuration in which the influence of the back side of the device is reduced by a method such as placing a substance that absorbs sound such as sponge outside the groove hole, and a configuration in which a horn is placed on the front surface of the vibrating body to increase the 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。
In the above embodiment, the sensitivity of ultrasonic wave transmission and reception can be increased by increasing the area of the vibrating body or decreasing the thickness. However, in this case, the frequency characteristics of the device will change at the same time. Therefore, when designing the ultrasonic sensor, considering the above effects, the vibration body should be optimized to optimize the sensitivity and frequency characteristics. Must determine the dimensions of.

(発明の効果) 以上説明したとおり、本発明によれば、高性能かつ小型
軽量の空中用集積化超音波トランスジューサを供給する
ことが可能となった。特に、ポリイミド樹脂を介して振
動体と集積回路の配線を行なうことにより、従来しばし
ば生じた配線の断線が著しく減少し、製品の信頼性が増
大した効果は大きい。その結果、産業用ロボット等の分
野で近接覚等の検出に高性能な超音波トランスジューサ
を利用することができるようになった。また、本発明の
超音波トランスジュ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 described above, according to the present invention, it is possible to supply a high-performance, small-sized and lightweight airborne integrated ultrasonic transducer. In particular, by wiring the vibrating body and the integrated circuit via the polyimide resin, the disconnection of the wiring, which often occurs in the past, is significantly reduced, and the product reliability is increased. As a result, it has become possible to use high-performance ultrasonic transducers for detecting proximity sensation in the field of industrial robots and the like. Further, since the ultrasonic transducer of the present invention can be mass-produced by a manufacturing method that is consistent with the conventional silicon IC process technology,
The manufacturing cost can be reduced. These effects are remarkable, and the present invention is effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図および第2図はそれぞれ本発明の一実施例の平面
図および断面図、第3図は本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
ンスジューサの断面図、第5図は従来の静電型トランス
ジューサの原理図、第6図は本発明の他の実施例の断面
図、第7図および第8図は本発明の他の実施例を上から
見た図、第9図は本発明による超音波トランスジューサ
アレイの一実施例を上から見た図を示したものである。 1……シリコン基板、2……シリコン薄板、3……酸化
膜、4……圧電体薄膜、5……上部電極、6……下部電
極、7……ポリイミド樹脂、8……周辺回路、9,21…ア
ルミ配線、10,11……スルーホール、12……溝、20……
振動体、30,31……開口穴、32,33……コンタクト穴、41
……金属ケース、42……プラスチックケース、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……
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、61,62……高濃度ボロ
ン層、70……振動体要素。
1 and 2 are a plan view and a sectional view, respectively, of an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a conceptual diagram showing an embodiment of a method for manufacturing the embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a sectional view of an ultrasonic transducer, FIG. 5 is a principle view of a conventional electrostatic transducer, FIG. 6 is a sectional view of another embodiment of the present invention, and FIGS. 7 and 8 are other embodiments of the present invention. FIG. 9 shows an example of the ultrasonic transducer array according to the present invention as seen from above. 1 ... Silicon substrate, 2 ... Silicon thin plate, 3 ... Oxide film, 4 ... Piezoelectric thin film, 5 ... Upper electrode, 6 ... Lower electrode, 7 ... Polyimide resin, 8 ... Peripheral circuit, 9 , 21… Aluminum wiring, 10,11 …… Through hole, 12 …… Groove, 20 ……
Vibrating body, 30,31 …… Opening hole, 32,33 …… Contact hole, 41
…… Metal case, 42 …… Plastic case, 43 …… Protective screen, 44,45 …… Electrode terminals, 46 …… Leaf springs, 47
…… Aluminum alloy plate, 48 …… Polyester film, 49 ……
Electrode, 51 ... Mechanical element, 51a ... Vibrator, 51b ... Fixed plate, 52 ... Electrical element, 53 ... Bias voltage, 54 ... Resistance, 55 ... Transmission and reception circuit, 61,62 …… High-concentration boron layer, 70 …… Vibrator element.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高濃度のボロン不純物を含む矩形のシリコ
ン薄板の上面に酸化膜を設け、矩形の圧電体薄膜の上面
に上部電極を下面に下部電極を設けたものを酸化膜の上
面に設けて振動体を構成し、シリコン基板上の周辺部に
周辺回路を設け、振動体の下面の少なくとも一辺をシリ
コン基板と連結し、しかも、振動体の個々の面積がシリ
コン基板の中心から離れるにしたがって大きくなるか又
は小さくなるように振動体を二次元的に複数個設け、振
動体の上部電極の一部と周辺回路の上にポリイミド樹脂
を設け、ポリイミド樹脂に開けられたスルーホールを介
して振動体の上部電極と周辺回路を接続してなることを
特徴とする超音波トランスジューサ。
1. A rectangular silicon thin plate containing a high concentration of boron impurities is provided with an oxide film on the upper surface, and a rectangular piezoelectric thin film having an upper electrode on the upper surface and a lower electrode on the lower surface is provided on the upper surface of the oxide film. To form a vibrating body, provide a peripheral circuit on the periphery of the silicon substrate, connect at least one side of the lower surface of the vibrating body to the silicon substrate, and as the individual area of the vibrating body moves away from the center of the silicon substrate. A plurality of vibrators are provided in a two-dimensional manner to increase or decrease, a polyimide resin is provided on a part of the upper electrode of the vibrator and the peripheral circuit, and vibration is performed through a through hole formed in the polyimide resin. An ultrasonic transducer comprising an upper electrode of the body and a peripheral circuit connected to each other.
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