JPH07121160B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents
Ultrasonic transducerInfo
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- JPH07121160B2 JPH07121160B2 JP60061333A JP6133385A JPH07121160B2 JP H07121160 B2 JPH07121160 B2 JP H07121160B2 JP 60061333 A JP60061333 A JP 60061333A JP 6133385 A JP6133385 A JP 6133385A JP H07121160 B2 JPH07121160 B2 JP H07121160B2
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- ultrasonic transducer
- electrode
- circuit
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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
つ小型軽量の空中超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 ultrasonic transducer that can be used for detecting a sense of proximity of an industrial robot. It is a thing.
(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等を可視光を用いる固
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。超音波トランスジューサにおい
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, a solid-state image sensor using a visible light such as a CCD has 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 circuits such as an oscillation circuit and a receiving circuit for assisting this are provided. The elements need to be well combined and constructed.
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,
Emission of ultrasonic waves with high intensity is difficult. Therefore,
It is necessary not only to design the mechanical element so that the ultrasonic waves are efficiently radiated, but also to devise the electrical element so that a 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。図中の43は保護
スクリーン金属ケース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を介して電極49
と等しい。これより、前極端子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5
5により発接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
動板51aと固定板51bの間の容量か変化する。従って、受
信回路55に交通電流が流れ、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。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。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。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、これと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。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. The surface of the polyester film 48 is on the surface opposite to the surface in contact with the aluminum alloy plate 47,
An electrode 49 made of gold foil or the like is vapor-deposited. Reference numeral 43 in the figure is fixed to the protective screen 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, and the aluminum alloy plate 47 is attached to the metal case 41.
Is pressed against. The leaf spring 46 is fixed to the plastic case 42. 44 and 45 are electrode terminals, 44 is formed integrally with the leaf spring 46, while 45 is a metal case 41.
It is configured integrally with. 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 via the metal case 41.
Is equal to Therefore, when a voltage is applied to the front electrode terminals 44 and 45, a voltage equal to this applied voltage is applied to the aluminum alloy plate 47.
Between the electrode 49 and the electrode 49
Bend 48. 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. FIG. 5 is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG. 4, and is composed of a mechanical element 51 that vibrates and an electrical element 52 other than this. The mechanical element 51 is composed of a vibrating plate 51a and a fixed plate 51b.
It has the structure shown in the figure. On the other hand, the electric element 52 is composed of a bias voltage 53, a resistor 54, and an oscillation circuit 55 in the case of transmitting ultrasonic waves. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a is fixed by the bias voltage 53 to the fixed plate 51b.
It is pulled by and is bent. Then, when an AC voltage smaller than the bias voltage 53 is generated in the oscillation circuit 55, the oscillation circuit
It changes as follows depending on the polarity of the voltage generated across 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 vibration plate 51a and the fixed plate 51b, so that the vibration plate 51a is largely bent. 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 diaphragm 51a and the fixed plate 51b, so that the diaphragm 51a bends less. Therefore, the oscillator circuit 5
When the voltage across the contacting circuit is periodically changed by 5, 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 diaphragm 51a is vibrated by the ultrasonic waves entering from the outside, and the capacity between the diaphragm 51a and the fixed plate 51b is changed. Therefore, a traffic current flows in the receiving circuit 55, and the ultrasonic wave can be received by amplifying and compensating the traffic current. 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, when it is attempted to realize a high-performance device with the conventional structure, the area occupied by the electrical elements is further increased, and the device tends to be large. This trend has become increasingly problematic when trying to realize ultrasonic transducer arrays. In fact, it is known that the wiring connecting the electrodes of the arrayed transducers will be quite large. 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 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
かつ小型軽量の空中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, small-sized and lightweight aerial 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
の下面の相対する二辺をシリコン基板と連結した振動体
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、更に、各振動体ごとに異なった強度及
び位相を有する電圧を印加するようにしたものである。(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 in the peripheral portion on the silicon substrate, and two vibrating bodies are formed by connecting two opposite sides of the lower surface of the vibrating body to the silicon substrate. A plurality of dimensions are provided, a polyimide resin is provided on a part of the upper electrode of the vibrating body and the peripheral circuit, and the upper electrode of the vibrating body and the peripheral circuit are connected through a through hole formed in the polyimide resin. , A voltage having different intensity and phase is applied to each vibrator.
(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体薄膜に
より主に構成されたブリッジ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アルミ配線をおくことに
より、アルミ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, which has a bridge shape, moves up and down according to the change in the potential difference applied to the upper and lower electrodes of the piezoelectric thin film, and transmits ultrasonic waves. Has been done. 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. Further, 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 aluminum wiring on this, it is possible to prevent the aluminum wiring from being cut, and the yield of device fabrication is improved. Significantly improved.
(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の相対する二辺はシ
リコン基板1と一体に連結してブリッジの形状を形成し
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
板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、従来配線の経路に圧電
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。また、本
発明のブリッジ構造の超音波トランスジューサは、一辺
のみが固定されている片持ち染構造に比べて耐久性に優
れ、長期間の使用に耐えることができる。一方、四辺が
固定されているダイアフラム構造に比べて振幅を大きく
とることができ、効率の面で優れているという長所を有
している。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
It is mainly composed of a silicon thin plate 2 containing a high concentration of boron impurities (≧ 1 × 10 20 cm −3 ) and a piezoelectric thin film 4 such as ZnO or AlN. Are integrally connected to the silicon substrate 1 to form a bridge shape. This vibrating body 20 is a groove carved in the silicon substrate 1.
It vibrates up and down in 12 to transmit and receive ultrasonic waves. An upper electrode 5 and a lower electrode 6 are provided on both sides of the main surface of the piezoelectric thin film 4.
Are arranged, 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. Lower electrode 6
Is also electrically connected to an integrated circuit 8 for driving and receiving formed on the silicon substrate 1 through an aluminum wiring 21 also placed on the oxide film 3. On the other hand, the upper electrode 5
When the integrated circuit 8 and the integrated circuit 8 are connected to each other, the aluminum wiring is often cut due to the presence of a step due to the thickness of the piezoelectric thin film in the conventional wiring path. In order to solve this drawback, a polyimide resin 7 is applied on a part of the upper electrode 5 and the integrated circuit 8, and the polyimide resin 7 has a through hole 11 connected to the upper electrode 5 and a through hole connected to the integrated circuit. A structure was used in which 10 openings were provided and aluminum wiring 9 for conducting the through holes 10 and 11 was formed on the polyimide resin 7. 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. Further, the ultrasonic transducer of the bridge structure of the present invention has superior durability and can withstand long-term use as compared with the cantilever dyeing structure in which only one side is fixed. On the other hand, compared with a diaphragm structure in which the four sides are fixed, it has a merit that it can take a larger amplitude and is excellent in efficiency.
第3図は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジュー
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と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)
は、(110)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の固
定辺とこれを支持する溝12の側壁(111)面が垂直方向
に向くように配置する必要がある。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(図示せ
ず)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))。ED
P、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、送受信用の集積回路を8を形成し、この
集積回路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。しかも、先のコンタクト穴32を
通して集積回路8とオーミック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
よりシリコン薄板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(h)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。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と集積回路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))。FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing an ultrasonic 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 described above as an embodiment of the present invention indicate the same components. The same figure (a)
Is an oxide film 3 on the front and back of the silicon substrate 1 having a (110) plane.
The first part of the
An opening hole 30 having the same shape as the vibrating body 20 in the figure is formed. When forming the opening hole 30, it is necessary to arrange so that the fixed side of the vibrating body 20 of FIG. 1 and the side wall (111) surface of the groove 12 supporting the vibrating body 20 are oriented in the vertical 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). The entire upper surface is again covered with the oxide film 3, and an opening hole (not shown) 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)). ED
An aqueous solution of P, hydrazine, etc. has a property that the etching rate on the (100) plane is significantly higher than the etching rate on the (111) plane of silicon (anisotropy), and 1 ×
It has the selectivity that the etching rate of silicon containing high-concentration boron impurities of 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, using a normal silicon IC process technology, an integrated circuit 8 for transmission / reception is formed, and a contact hole 32 for the first wiring is opened in this integrated circuit 8 (FIG. 8E). Then, the lower electrode 6 is formed by vapor deposition or the like ((f) in the figure). It is desirable that the lower electrode has Au as an underlayer of Cr in order to improve the bonding with the oxide film 3, but the lower electrode is not necessarily limited to this, and a metal such as aluminum may be used instead. Moreover, it is necessary to have ohmic conduction with the integrated circuit 8 through the contact hole 32. After that, a piezoelectric material such as ZnO or AlN is deposited on the silicon thin 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 ordinary dielectric polarization treatment, and the integrated circuit 8
After the second wiring contact hole 33 is opened in the same, a coating process using a polyimide resin, a baking process, and an etching process are sequentially performed, and the process shown in FIG. And the second contact hole 33
A through hole 10 that leads to the. Finally, the aluminum wiring 9 for electrically connecting the upper electrode 5 and the integrated circuit 8 through the through holes 10 and 11 is formed on the polyimide resin 7 ((i) in the figure).
第6図は本発明の他の実施例を示す断面図である。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。本発明の実施例は、高濃度ボロンがエピ
タキシャル成長により表面に形成された(110)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、集積回路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。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る。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と集積回路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と集積回路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)。FIG. 6 is a sectional view showing another embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. The embodiment of the present invention is characterized in that the structure shown in FIGS. 1 and 2 is realized by using a silicon substrate having a (110) plane orientation in which high-concentration boron is formed on the surface by epitaxial growth. If this epi-substrate is used, a new step of removing the surface boron layer in the region where the integrated circuit 8 and the groove 12 are formed is required. This is nitric acid
It can be easily realized by using a mixed solution of hydrofluoric acid, acetic acid and the like. Reference numerals 61 and 62 in the same figure show the boron layer remaining after this step. After this, FIG. 3 (c)-
The ultrasonic transducer shown in FIG. 6 can be manufactured by performing the same step as (i). 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, a step also exists between the lower electrode 6 and the integrated circuit 8, but similarly to the above, the wiring of the lower electrode 6 and the integrated circuit 8 is made of polyimide resin through a 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。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
示す集積回路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の一部と接続されている(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、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、単
一の大きな面積をもつブリッジ構造と比較して、本実施
例に示すように小さな複数個のブリッジに分割するとき
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
たシリコンの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も少し
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。7 and 8 are plan views showing another embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. In these examples,
A plurality of rectangles 70 indicated by broken lines indicate vibrator elements except the integrated circuit 8 shown in FIGS. 1 and 2. Also,
The electrodes formed on the upper and lower surfaces of the vibrating body element 70 are connected to a part of the peripheral circuit 8 via aluminum wiring (not shown). When a plurality of the vibrating body elements 70 are arranged as shown in the embodiment of FIGS. 7 and 8, ultrasonic waves are strongly radiated to a small front angle, or ultrasonic waves of only a small front angle are strongly received. It has the feature that it is less likely to be confused by ambient noise. Further, compared to a single bridge structure having a large area, when divided into a plurality of small bridges as shown in the present embodiment, there is an advantage that harmonic signals other than the fundamental mode can be reduced. Yes, this also helps reduce signal noise. Furthermore, by using the technique of anisotropic etching of silicon described in the explanation of FIG. 3 (d), the vibrator element 70 having the same shape can be accurately formed at the same time. From the point of view, there is no problem at all. In addition to the embodiment shown here, there is also an embodiment in which the area of the vibrator element 70 at 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。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
う特徴がある。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について分解したが、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バイス
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。FIG. 9 also shows another embodiment of the present invention. In the figure, the 7th
The same reference numerals as those in the figure 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, and therefore high-performance ultrasonic waves for electrically scanning. The feature is that a transducer can be provided. In this embodiment, the electrodes on the upper surface of the vibrating body element 70 are disassembled for the respective vibrating body elements 70. A device having the same effect as above can be realized by separating the second electrode (not shown) for each vibrator element 70. In FIG. 9, an ultrasonic transducer array of 1 row and 5 columns is shown.
There is no need to limit the number of 70's. For example,
In the embodiment of FIG. 8, the electrodes on the upper surface of the vibrating body element 70 are separately arranged for each vibrating body element 70, and when the respective electrodes are connected to the peripheral circuit 8, the electrodes are electrically scanned in a two-dimensional direction. It is possible to realize a two-dimensional ultrasonic transducer that can be used. 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、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。
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 present invention has been described in detail above with reference to examples.
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 a few 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. . In addition, a structure that reduces the influence on the back side of the device by placing a substance such as a sponge on the outside of the groove to absorb sound, and a structure that increases the sensitivity by placing a horn on the front surface of the vibrating body are also available. Included in the invention.
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。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. 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.
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示す平
面図、第9図は本発明による超音波トランスジューサア
レイの一実施例を示す平面図。 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……集積回路、 9,21……アルミ配線、10,11……スルーホール、 12……溝、20……振動体、 30……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 is a plan view showing an example, and FIG. 9 is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic transducer array according to the present invention. 1 ... Silicon substrate, 2 ... Silicon thin plate, 3 ... Oxide film, 4 ... Piezoelectric thin film, 5 ... Upper electrode, 6 ... Lower electrode, 7 ... Polyimide resin, 8 ... Integrated circuit, 9 , 21 …… Aluminum wiring, 10,11 …… Through hole, 12 …… Groove, 20 …… Vibrator, 30 …… Opening hole, 32,33 …… Contact hole, 41 …… Metal case, 42 …… Plastic Case, 43 …… Protective screen, 44,45 …… Electrode terminal, 46 …… Leaf spring, 47 …… Aluminum alloy plate, 48 …… Polyester film, 49 …… Electrode, 51 …… Mechanical element, 51a ...... Vibration plate, 51b ...... Fixed plate, 52 ...... Electrical element, 53 ...... Bias voltage, 54 ...... Resistance, 55 ...... Transmission and reception circuit, 61,62 ...... High concentration boron layer, 70 ...... Vibratory element.
Claims (1)
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、振動体の下面の相対する二辺をシリコ
ン基板と連結した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、更に、各振動
体ごとに異なった強度及び位相を有する電圧を印加する
ようにしたことを特徴とする超音波トランジューサ。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. A vibrating body, a peripheral circuit is provided around the silicon substrate, and two or more vibrating bodies in which two opposite sides of the lower surface of the vibrating body are connected to the silicon substrate are two-dimensionally provided. A polyimide resin is provided on part of the peripheral circuit and the peripheral circuit, and the upper electrode of the vibrating body is connected to the peripheral circuit through a through hole formed in the polyimide resin. Furthermore, different strength and phase are set for each vibrating body. An ultrasonic transducer, wherein an applied voltage is applied.
Priority Applications (1)
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JP60061333A JPH07121160B2 (en) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | Ultrasonic transducer |
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JPS61220597A JPS61220597A (en) | 1986-09-30 |
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