JPH08274573A - Micro piezoelectric vibrator, its manufacture and piezoelectric transducer - Google Patents

Micro piezoelectric vibrator, its manufacture and piezoelectric transducer

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JPH08274573A
JPH08274573A JP7188095A JP7188095A JPH08274573A JP H08274573 A JPH08274573 A JP H08274573A JP 7188095 A JP7188095 A JP 7188095A JP 7188095 A JP7188095 A JP 7188095A JP H08274573 A JPH08274573 A JP H08274573A
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JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
thick film
electrode
piezoelectric vibrator
micro
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP7188095A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideo Adachi
日出夫 安達
Takuya Imahashi
拓也 今橋
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08274573A publication Critical patent/JPH08274573A/en
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

PURPOSE: To eliminate step structure and spurious vibration by using longitudinal vibration by arranging an upper electrode integrally with the upper face of a piezoelectric film element and the surface of an insulating layer. CONSTITUTION: A surface oxide film 2 is formed on the surface of a heat resisting substrate 1, and moreover, a lower electrode 3 consisting of a Pd thin film setting a Ti as a buffer layer is formed on the substrate 1. A piezoelectric thick film element 4 with cross-section of trapezoidal structure and polarized in a direction from an upper face to a lower face or vice versa is arranged on the electrode 3. A cavity part 5 with uniform thickness is formed extending over the entire oblique face of the element 4, and the insulating layer 6 with upper face flush with the one of the thick film is arranged in its periphery. Moreover, the upper electrode 7 made into a pattern so as to cover the entire upper face of the element 4 and to spread over the cavity part 5 is provided. Thereby, piezoelectric film is made by a jet printing method, and since no adhesive layer exists on a boundary with the substrate 1, no spurious vibration occurs, and filming without composition dislocation on piezoelectric fine powder is performed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、特に医療用、産業用マ
イクロマシンに用いられるマイクロ圧電振動子、この製
造方法、及び前記マイクロ圧電振動子を利用したマイク
ロ圧電トランスデューサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-piezoelectric vibrator used in micromachines for medical and industrial purposes, a method for manufacturing the same, and a micro-piezoelectric transducer using the micro-piezoelectric vibrator.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、医療用、産業用マイクロマシンに
用いられる圧電振動子を利用した圧電センサ、トランス
デューサの研究が盛んになっている。とりわけ体腔内の
診断、治療を目的としたマイクロ触覚センシング技術で
は体内に挿入するカテーテル、内視鏡の先端部や側胴部
に配設し、カテーテル、内視鏡が体内に安全に挿入され
るように、これらの体腔内壁への接圧状況を検出した
り、患部に到達後患部の体腔内壁組織の硬さ柔らかさを
定量的に検出するセンサ、トランスデューサが必要にな
る。これらのニーズに対し本出願人は圧電振動子、とり
わけ圧電厚膜振動子を用いたマイクロ触覚センサを提案
している(特願平6−235651)。
2. Description of the Related Art In recent years, much research has been conducted on piezoelectric sensors and transducers using piezoelectric vibrators used in medical and industrial micromachines. In particular, in the micro tactile sensing technology for the purpose of diagnosis and treatment inside the body cavity, the catheter is inserted into the body, and it is placed at the tip or side trunk of the endoscope, and the catheter and endoscope are safely inserted into the body. As described above, there is a need for a sensor and a transducer for detecting the state of pressure contact with the inner wall of the body cavity and for quantitatively detecting the hardness and softness of the inner wall tissue of the body cavity of the affected area after reaching the affected area. To meet these needs, the present applicant has proposed a micro tactile sensor using a piezoelectric vibrator, especially a piezoelectric thick film vibrator (Japanese Patent Application No. 6-235651).

【0003】これは、図20に示されているように、セ
ンサ駆動回路をモノリシックに集積したシリコン基板20
1 に下部電極202 を施し、その上にジェットプリティン
グ法で圧電厚膜203 を形成し、しかる後上部電極204 を
パターン成膜したものである。これにより、厚み縦振動
を利用したエネルギー閉じ込め振動子を実現し、この圧
電振動子が対象物に接圧した時の共振周波数や共振抵抗
の変化を検出し、マイクロ触覚センサとするものであ
る。なお、図中の符号205 は絶縁層、206a〜206dは基台
を固定するための貫通孔、符号207 は定電圧膜、符号20
8 は電極(基台に設けた導電性突起をはめ合わせた後、
この電極に導通させる)。しかしながら、これらの構造
のマイクロ触覚センサを鋭意研究開発してきたが、以下
に記述するいくつかの新たな技術課題が出現してきた。
As shown in FIG. 20, this is a silicon substrate 20 in which sensor drive circuits are monolithically integrated.
The lower electrode 202 is applied to 1, the piezoelectric thick film 203 is formed on the lower electrode 202 by the jet printing method, and then the upper electrode 204 is patterned. As a result, an energy trapping oscillator utilizing the thickness longitudinal vibration is realized, and changes in the resonance frequency and the resonance resistance when the piezoelectric vibrator is brought into contact with an object are detected, and the microtactile sensor is obtained. In the figure, reference numeral 205 is an insulating layer, 206a to 206d are through holes for fixing the base, reference numeral 207 is a constant voltage film, and reference numeral 20 is
8 is an electrode (after fitting the conductive protrusions provided on the base,
Conduction to this electrode). However, although the micro tactile sensor having these structures has been earnestly researched and developed, some new technical problems described below have appeared.

【0004】その第一は信頼性の高い上部電極の形成技
術である。前記した先行技術においては上部電極204 が
段差構造となり部分的に下部電極との距離が小さくなり
印加電界がそこに集中し、効率の良い圧電振動が実現で
きないばかりでなく、電極間短絡をおこし信頼性に悪影
響を及ぼすことがあるという問題が明らかになった。
The first is a technique for forming a highly reliable upper electrode. In the above-mentioned prior art, the upper electrode 204 has a step structure and the distance between the upper electrode 204 and the lower electrode is partially reduced, and the applied electric field is concentrated there. It became clear that it could have a negative effect on sexuality.

【0005】第二に、上部電極としてエネルギー閉じ込
め電極を用いる為、圧電振動子として利用しない圧電厚
膜の領域があり、圧電センサ、トランスデューサ全体と
しての寸法が大きくなってしまうという問題があった。
Secondly, since the energy trapping electrode is used as the upper electrode, there is a region of the piezoelectric thick film which is not used as the piezoelectric vibrator, and there is a problem that the size of the piezoelectric sensor and the transducer as a whole becomes large.

【0006】これに対し、全面上部電極を施して静電容
量の増加と前記寸法の問題解決を図るという対策を講じ
たところ圧電振動子としての機械的品質係数Qmが低減
するという第三の新たな問題が発生した。この理由を検
討した結果、本来利用すべき厚み縦振動以外に面内拡が
り振動や、その高調波が厚み縦振動の共振周波数近傍に
重畳していることが原因であることがわかった。
On the other hand, when a measure is taken to increase the capacitance and solve the above-mentioned problem by providing an upper electrode on the entire surface, the mechanical quality factor Qm of the piezoelectric vibrator is reduced. Problem occurred. As a result of studying the reason for this, it was found that the cause is that in-plane spreading vibration and its harmonics are superposed in the vicinity of the resonance frequency of the thickness longitudinal vibration in addition to the thickness longitudinal vibration to be originally used.

【0007】以上に記載した技術課題に関係する先行技
術を以下に記述する。第一の技術課題、即ち上部電極の
平坦化に対して先行技術として「平成6年度マイクロマ
シン技術開発成果発表会予行集」P32〜P33があ
る。これは、基板上にLIGAプロセスの手段で基板ま
で貫通した孔を複数有したポリイミド樹脂膜の該貫通孔
にPZTスラリーを流し込み、ポリイミド樹脂膜の除去
とPZTスラリーの固化、焼結を兼ねて熱処理を行いP
ZT柱列を形成し、次いで樹脂層埋め込み、表面平坦化
を行い、全面上部電極を施し、PZT圧電素子と樹脂層
との複合圧電素子を形成するというものである。
Prior art related to the above-mentioned technical problems will be described below. For the first technical problem, that is, the flattening of the upper electrode, there are "1994 Micromachine Technology Development Results Presentation Meeting Proceedings" P32 to P33 as prior art. This is because the PZT slurry is poured into the through holes of the polyimide resin film having a plurality of holes penetrating to the substrate by means of the LIGA process, and the heat treatment is performed to remove the polyimide resin film and solidify and sinter the PZT slurry. Do P
A ZT column array is formed, then a resin layer is embedded, the surface is flattened, and an upper electrode is applied to the entire surface to form a composite piezoelectric element of a PZT piezoelectric element and a resin layer.

【0008】この先行技術はもともとPZT圧電素子と
樹脂層との複合圧電素子を形成し、平均的にQmの小さ
なマイクロな探傷用超音波センサを得ることが目的であ
り、本発明の目的である大きなQmを実現して高いセン
サ感度を得ようという目的とは反するものである。
This prior art was originally intended to form a composite piezoelectric element of a PZT piezoelectric element and a resin layer to obtain a micro ultrasonic sensor for flaw detection having a small average Qm, and is an object of the present invention. This is contrary to the purpose of achieving a large Qm and obtaining a high sensor sensitivity.

【0009】第二の技術課題、即ち圧電センサ、トラン
スデューサ全体としての寸法が大きくなってしまうとい
う技術課題に関しての先行技術としては特開昭61−4
6608がある。
As a prior art relating to the second technical problem, that is, the technical problem that the size of the piezoelectric sensor and the transducer as a whole becomes large, JP-A-61-4 is used.
There is 6608.

【0010】この先行技術では図21に示した様に恒弾
性基板(振動基板)211 と圧電薄膜212 と振動電極膜21
3 とで形成した圧電振動素子214 を有する拡がり振動モ
ードの圧電振動子において、振動基板211 の断面形状を
台形にして、振動基板211 の見かけ上の厚さを薄くして
容量比や共振周波数と反共振周波数との差といった振動
特性を十分良好に向上させるというものである。この様
な全面電極を施した圧電振動子の先行技術は多く、また
商品化されたものも数多い。
In this prior art, as shown in FIG. 21, a constant elastic substrate (vibrating substrate) 211, a piezoelectric thin film 212, and a vibrating electrode film 21.
In the piezoelectric vibrator of the spreading vibration mode having the piezoelectric vibrating element 214 formed by 3 and 3, the vibration substrate 211 has a trapezoidal cross-sectional shape, and the apparent thickness of the vibration substrate 211 is reduced to reduce the capacitance ratio and the resonance frequency. The vibration characteristics such as the difference from the anti-resonance frequency are sufficiently improved. There are many prior art piezoelectric vibrators provided with such full-surface electrodes, and many have been commercialized.

【0011】しかしながら、これらの殆どがこの先行技
術と同様拡がり振動モードを利用したものであった。本
発明の様に厚み縦振動モードを用いている全面電極を施
した圧電振動子の例はランジェバン振動子や、医療や非
破壊検査用超音波トランスデューサ等の応用を除いて比
較的少ない。その理由は一つに全面電極で理想的な厚み
縦振動をさせる為にはポアソン比を介して励起されうる
拡がりを振動モードの共振周波数やその高調波が厚み縦
振動モードの共振周波数近傍に来ないよう面積/厚み比
に特定の配慮が必要である。従って、厚みを大きくとれ
ない時、面寸法を極めて小さくしなくてはならない。こ
の為配線の為の特別な工夫が必要となり、信頼性が低
く、コストの高い製品となってしまう。
However, most of these used the spreading vibration mode as in the prior art. There are relatively few examples of piezoelectric vibrators provided with full-surface electrodes using the thickness longitudinal vibration mode as in the present invention, except for applications such as Langevan vibrators and ultrasonic transducers for medical and nondestructive inspection. One reason is that the resonance frequency of the vibration mode and its harmonics are near the resonance frequency of the thickness extensional vibration mode in order to make the ideal extension of thickness extensional vibration with the entire surface electrode, which can be excited by Poisson's ratio. Specific consideration must be given to the area / thickness ratio so that it will not occur. Therefore, when the thickness cannot be made large, the surface dimension must be made extremely small. For this reason, special measures for wiring are required, resulting in a product with low reliability and high cost.

【0012】以上から全面電極で厚め縦振動モードを利
用した例が比較的少く、エネルギー閉じ込め電極が多用
される理由になっている。この様に、特にマイクロマシ
ンへの応用では、エネルギー閉じ込め電極を用いない
で、これを用いた時と同様の振動特性をえて、且つ圧電
振動子の寸法を極力小さくする必要があった。
From the above, there are relatively few examples in which the full length electrode is thick and the longitudinal vibration mode is used, which is the reason why the energy trapping electrode is used frequently. As described above, particularly in the application to the micromachine, it is necessary to obtain the same vibration characteristics as when the energy trapping electrode is used and to reduce the size of the piezoelectric vibrator as much as possible without using the energy trapping electrode.

【0013】又、実際には、上記の様な面積/厚み比条
件がとれない場合も多々あるが、この様な場合にもエネ
ルギー閉じ込め電極の場合と同様な振動特性を得る必要
がある。
Actually, there are many cases where the above-mentioned area / thickness ratio condition cannot be satisfied, but in such a case, it is necessary to obtain the same vibration characteristic as that of the energy trapping electrode.

【0014】一方、エネルギー閉じ込め電極を用いない
で、不要振動を除去する提案は特公昭60−38893
でなされている。ここでは図22(A),(B)、図23
(A)〜(C)に示した様に矩形状圧電板の一対の対向
する側面を裏面よりにし、所定の傾度をもって傾斜させ
て断面台形状とし、この傾斜側面が表面に落とす投射影
の部分に一致するように両側端部に一対の電極を設け、
この電極を励振電極として、圧電振動子の不要振動を除
去した平行電界励振圧電振動子を実現するという提案で
ある。この構造では傾斜面は分極方向の終端部の2面に
配置している。
On the other hand, a proposal for eliminating unnecessary vibration without using an energy trapping electrode is disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 60-38893.
It is made in. Here, FIG. 22 (A), (B), and FIG.
As shown in (A) to (C), the pair of opposed side surfaces of the rectangular piezoelectric plate are made to be the back surface and are inclined with a predetermined inclination to have a trapezoidal cross section. Provide a pair of electrodes at both ends to match
It is a proposal to realize a parallel electric field excitation piezoelectric vibrator in which unnecessary vibration of the piezoelectric vibrator is removed by using this electrode as an excitation electrode. In this structure, the inclined surfaces are arranged on the two surfaces of the end portion in the polarization direction.

【0015】図22(A)は従来より周知の平行電界励振
厚みすべり振動子の構造例で、符号221 は圧電体、符号
222a,222bは側面電極、矢印はすべり振動に伴う変位成
分を示す。図22(B)は上記公報の発明になる平行電界
励振圧電振動子で、図22(A)の構造に比較して対向す
る側面が裏面よりに傾斜されていて、側面にあった電極
が表面に移されており、かつ表面電極227a,227bの領域
は傾斜側面224a,224bが表面226 に落す投射影にほぼ一
致している。なお、図22(B)中の符号223 は矩形状圧
電板、符号225 は裏面を示す。
FIG. 22A is a structural example of a conventionally known parallel electric field excitation thickness sliding oscillator, in which reference numeral 221 is a piezoelectric body and reference numeral is.
222a and 222b indicate side electrodes, and arrows indicate displacement components associated with sliding vibration. 22B is a parallel electric field excited piezoelectric vibrator according to the invention of the above publication, in which the opposite side surfaces are inclined from the back surface as compared with the structure of FIG. 22A, and the electrodes on the side surfaces are the front surface. And the areas of the surface electrodes 227a and 227b substantially coincide with the projected shadows of the inclined side surfaces 224a and 224b on the surface 226. In FIG. 22B, reference numeral 223 indicates a rectangular piezoelectric plate, and reference numeral 225 indicates a back surface.

【0016】図23(A)〜(C)は各種振動子の断面図
で、図23(A)は上記公報の発明の振動子で断面台形状
であることを示し、図23(B)は側面の傾斜効果を説明
するために傾斜のない振動子を示し、図23(C)は従来
の振動子を示す。なお、図中の符号231a,231bは電極下
領域、符号232 は無電極下の圧電的に活性な領域を示
す。
23 (A) to 23 (C) are sectional views of various vibrators, FIG. 23 (A) shows that the vibrator of the invention of the above publication has a trapezoidal cross section, and FIG. 23 (B) is A vibrator without tilt is shown to explain the tilt effect of the side surface, and FIG. 23C shows a conventional vibrator. In the figure, reference numerals 231a and 231b indicate areas under the electrodes, and reference numeral 232 indicates a piezoelectrically active area under the electrodes.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be Solved by the Invention]

請求項1,2 以上記述した様に、本発明者らが提案した構造の触覚セ
ンサ等に利用できる圧電振動子(特願平6−23565
1)は電極の段差構造の為、部分的な電界集中が起こ
り、良好な圧電振動が励起できない場合があり、段差構
造のない電極構造が必要であることがわかってきた。
Claims 1 and 2 As described above, a piezoelectric vibrator that can be used in a tactile sensor having the structure proposed by the present inventors (Japanese Patent Application No. 6-23565).
In 1), since the electrode has a step structure, a partial electric field concentration may occur and good piezoelectric vibration may not be excited, and it has been found that an electrode structure having no step structure is required.

【0018】段差構造のない電極構造に関し、「平成6
年度マイクロマシン技術開発成果発表会予行集」P32〜
P33があるが、この構造ではセンサ感度と強く関係した
機械的品質係数Qmが小さくなり十分なセンサ感度が得
られなくなるという問題や、圧電振動子が円柱なので厚
み振動させてもポアソン比を介して励振される拡がり振
動が、面寸法/厚さ比によっては同程度の共振周波数、
Qmで励起されるので、目的の厚み縦振動の共振周波数
近傍に不要振動があらわれ、目的の振動モードが安定に
励起できなくなるという問題が発生する。
Regarding the electrode structure having no step structure, see “1994
Annual Meeting on Micromachine Technology Development Results Presentation ”P32-
There is P33, but with this structure, the mechanical quality factor Qm, which is strongly related to the sensor sensitivity, becomes small and sufficient sensor sensitivity cannot be obtained. Excited spreading vibration has a similar resonance frequency depending on the surface dimension / thickness ratio,
Since it is excited by Qm, unnecessary vibration appears in the vicinity of the resonance frequency of the intended thickness longitudinal vibration, which causes a problem that the intended vibration mode cannot be excited stably.

【0019】この様な不要振動を除去する方法として、
エネルギー閉じ込め電極を用いる方法、面寸法/厚さ比
を理想的に設計するという良く知られた方法があるが、
マイクロマシン用として圧電振動子を用いる場合、前者
の方法ではエネルギー閉じ込め電極が全面電極ではない
ので電極のない領域分寸法が大きくなってしまう。ま
た、静電容量も小さくなってしまうのでセンサとしての
S/Nが低下する。
As a method of removing such unnecessary vibration,
There is a well-known method of using the energy confining electrode and ideally designing the surface dimension / thickness ratio.
In the case of using a piezoelectric vibrator for a micromachine, since the energy trapping electrode is not a full-face electrode in the former method, the size of the region without the electrode becomes large. Further, since the electrostatic capacity also becomes small, the S / N as a sensor decreases.

【0020】後者の方法では、通常の円柱や角柱の構造
では寸法によっては目的としない振動モードが励起さ
れ、センサとして安定した動作ができなくなることがあ
る。また、不要振動を励起させない他の方法として前記
した特公昭60−38893があるが平行電界励振圧電
振動子であり、本発明の様に厚み縦振動を利用した圧電
振動子ではない。
In the latter method, a normal cylindrical or prismatic structure may excite an undesired vibration mode depending on the dimensions, and the sensor may not be able to operate stably. Further, as another method of not exciting unnecessary vibration, there is Japanese Patent Publication No. 60-38893 mentioned above, but it is a parallel electric field excited piezoelectric vibrator, and is not a piezoelectric vibrator utilizing thickness longitudinal vibration as in the present invention.

【0021】したがって、本発明は厚み縦振動を用いた
圧電振動子で電極が段差構造を持たず、不要振動がない
機械的品質係数Qmの大きな圧電振動子とその製造方法
を提供することを目的とするものである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator using a thickness longitudinal vibration, in which electrodes do not have a step structure, and which has a large mechanical quality factor Qm without unnecessary vibration, and a manufacturing method thereof. It is what

【0022】請求項3 従来の超音波トランスデューサ、特に医療用超音波トラ
ンスデューサでは圧電振動子によって励振された超音波
エネルギーを効率よく対象物(生体)との間に超音波の
授受を行う為、音響整電層を配している。これは整合層
としての振幅条件と位相条件を満たす様な材質、形状を
用いたもので、一層の整合層であれば、圧電振動子の音
響インピーダンスZp、対象物の音響インピーダンスZ
oとすると、(Zp・Zo)1/2 なる音響インピーダン
スを持った材質を1/4波長の厚さにして音響整合層と
している。しかし、本発明による使途は、本発明者らが
特願平6−235651で提案しているように対象物の
表面の機械的特性と、対象物の深さ方向の機械的特性の
双方を単一のトランスデューサで検出することである。
従って超音波エネルギーの殆どが対象物に入射してしま
うと対象物の表面の機械的特性を検出できないことにな
る。そこで圧電振動子によって励起された超音波の一部
は対象物に入射し、残りの一部は圧電素子と基板等で構
成される振動子にとどまり、それらで構成される振動子
の共振周波数と共振インピーダンスが対象物の接圧で大
きな感度で変化する技術が必要とされている。
In a conventional ultrasonic transducer, particularly a medical ultrasonic transducer, ultrasonic energy excited by a piezoelectric vibrator is efficiently transmitted to and received from an object (living body). It has a power control layer. This uses a material and a shape that satisfy the amplitude condition and the phase condition as the matching layer. If it is a single matching layer, the acoustic impedance Zp of the piezoelectric vibrator and the acoustic impedance Z of the target object are used.
If it is o, a material having an acoustic impedance of (Zp · Zo) 1/2 is made a thickness of ¼ wavelength to form an acoustic matching layer. However, the purpose of the present invention is to provide both the mechanical properties of the surface of the object and the mechanical properties in the depth direction of the object as proposed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 6-235651. It is to detect with one transducer.
Therefore, if most of the ultrasonic energy is incident on the object, the mechanical characteristics of the surface of the object cannot be detected. Therefore, a part of the ultrasonic wave excited by the piezoelectric vibrator is incident on the object, and the remaining part remains in the vibrator composed of the piezoelectric element and the substrate, and the resonance frequency of the vibrator composed of them is There is a need for a technique in which the resonance impedance changes with the contact pressure of an object with great sensitivity.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】本願第1の発明は、厚み
縦振動の共振特性を用いたマイクロ圧電振動子におい
て、表面に下部電極を施した基板と、前記下部電極上に
形成され、その断面形状が台形状で厚み方向に分極状態
にある圧電厚膜素子と、この圧電厚膜素子の側壁に対し
空隙部を隔てて包囲するように形成するとともに前記基
板に対し略平行な面を有して形成された絶縁層と、前記
圧電厚膜素子の上面と前記絶縁層の表面に一体的に配設
された上部電極を具備したことを特徴とするマイクロ圧
電振動子である。
A first invention of the present application relates to a micro-piezoelectric vibrator using resonance characteristics of thickness longitudinal vibration, a substrate having a lower electrode on its surface, and a substrate formed on the lower electrode. A piezoelectric thick film element having a trapezoidal cross section and being polarized in the thickness direction, and a piezoelectric thick film element formed so as to surround a side wall of the piezoelectric thick film element with a gap therebetween and have a surface substantially parallel to the substrate. A micro-piezoelectric vibrator, comprising: an insulating layer formed by the above process; and an upper electrode integrally disposed on the upper surface of the piezoelectric thick film element and the surface of the insulating layer.

【0024】本願第2の発明は、ジェットプリンティン
グ法を用いてスポット状に圧電厚膜を形成する工程と、
熱処理工程と、犠牲層形成工程と、絶縁層形成工程と、
表面平坦化工程と、上部電極形成工程と、分極工程と、
上部電極パターン化工程と、犠牲層除去工程とを具備す
ることを特徴としたマイクロ圧電振動子の製造方法であ
る。
A second invention of the present application is a step of forming a piezoelectric thick film in a spot shape by using a jet printing method,
A heat treatment step, a sacrifice layer forming step, an insulating layer forming step,
A surface flattening step, an upper electrode forming step, a polarization step,
A method of manufacturing a micro-piezoelectric vibrator, comprising: an upper electrode patterning step and a sacrificial layer removing step.

【0025】本願第3の発明は、前記マイクロ圧電振動
子と被測定対象物の間に音響的な結合層を有する圧電ト
ランスデューサにおいて、前記音響的な結合層が被対象
物に接触する側は被対象物の音響インピーダンスの1.
2〜3倍の音響インピーダンスを、圧電厚膜素子側に接
触する面は圧電厚膜素子の音響インピーダンスとほぼ等
しい音響インピーダンスを有し、前記音響的な結合層の
機械的品質係数が圧電厚膜素子の機械的品質係数と同じ
かそれ以上の値を有することを特徴とした圧電トランス
デューサである。
According to a third aspect of the present invention, in a piezoelectric transducer having an acoustic coupling layer between the micro-piezoelectric vibrator and an object to be measured, the side where the acoustic coupling layer contacts the object is a subject to be measured. 1. Acoustic impedance of the object
The acoustic impedance of the piezoelectric thick film element is approximately equal to the acoustic impedance of the piezoelectric thick film element, the acoustic impedance of the piezoelectric thick film element is approximately equal to that of the piezoelectric thick film element. A piezoelectric transducer characterized by having a value equal to or higher than a mechanical quality factor of an element.

【0026】[0026]

【作用】本発明においては、圧電厚膜素子が台形状なの
で厚さ方向の共振振動は上面と下面の間の距離がその距
離に対応した周波数で共振する。拡がり振動は台形圧電
素子の厚み方向に垂直な断面の断面寸法が全厚さに亘り
一定ではないので共振周波数が広く分布し、また、共振
の先鋭度(=機械的品質係数Qm)も小さくなるので、
相対的に厚み縦振動のみが励起されているとみなせる様
になり、安定した厚み縦振動がおこる。更に、台形圧電
振動子と絶縁層の間に台形圧電素子の側壁を包囲するよ
うに形成した空洞部が形成されているので、台形圧電振
動子の振動がダンピングされることがない。
In the present invention, since the piezoelectric thick film element has a trapezoidal shape, resonance vibration in the thickness direction resonates at a frequency at which the distance between the upper surface and the lower surface corresponds to the distance. In the spreading vibration, since the cross-sectional dimension of the cross section perpendicular to the thickness direction of the trapezoidal piezoelectric element is not constant over the entire thickness, the resonance frequency is widely distributed, and the sharpness of resonance (= mechanical quality factor Qm) is also small. So
Only the thickness longitudinal vibration can be regarded as being relatively excited, and stable thickness longitudinal vibration occurs. Further, since the cavity formed so as to surround the side wall of the trapezoidal piezoelectric element is formed between the trapezoidal piezoelectric vibrator and the insulating layer, the vibration of the trapezoidal piezoelectric vibrator is not damped.

【0027】[0027]

【実施例】【Example】

(実施例1)図1は本発明の実施例1に係るマイクロ圧
電振動子の断面図を示す。また、図2〜図6はその製造
方法を示す。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view of a micro-piezoelectric vibrator according to Embodiment 1 of the present invention. 2 to 6 show the manufacturing method thereof.

【0028】図中の1は、表面に表面酸化膜(SiO2
膜)2を形成した耐熱性基板(Si基板)である。この
基板1上には、例えばTiをバッファー層としたPd薄
膜(Pd/Ti)からなる下部電極3が形成されてい
る。この下部電極3上には、断面が台形構造、例えば円
錐台形構造をし、上面から下面、またはその逆方向に分
極されている例えばジルコンチタン酸鉛(PZT)から
なる圧電厚膜素子4が配設されている。そして、圧電厚
膜素子4の斜面全周に亘って厚さの均一な空隙部5が形
成され、更にその周囲に圧電厚膜の上面と面一の上面を
有する絶縁層6が配置されている。そして、図1(B)
に示すように、前記圧電厚膜素子4の上面の全面を覆
い、空隙部5を跨ぐようにして前記絶縁層6の上面の一
部に亘るようにパターン化された上部電極7が設けられ
ている。
Reference numeral 1 in the figure denotes a surface oxide film (SiO 2
It is a heat resistant substrate (Si substrate) on which a film 2 is formed. On the substrate 1, a lower electrode 3 made of, for example, a Pd thin film (Pd / Ti) having Ti as a buffer layer is formed. A piezoelectric thick film element 4 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT), which has a trapezoidal cross section, for example, a truncated cone shape, and is polarized from the upper surface to the lower surface or in the opposite direction is arranged on the lower electrode 3. It is set up. Then, a void portion 5 having a uniform thickness is formed over the entire circumference of the inclined surface of the piezoelectric thick film element 4, and an insulating layer 6 having an upper surface flush with the upper surface of the piezoelectric thick film is arranged around the void portion 5. . Then, FIG. 1 (B)
As shown in FIG. 5, an upper electrode 7 is provided which covers the entire upper surface of the piezoelectric thick film element 4 and is patterned so as to extend over a part of the upper surface of the insulating layer 6 so as to straddle the void 5. There is.

【0029】この上部電極7の前記絶縁層6の上面の一
部に亘る部分は、電気配線として作用する配線部7aで
あるが、この配線部7aは、この図1(B)では特定の
一方向のみに引き出して設けているが、変形例として
は、複数の方向に引き出すように設けてもよい。また、
本実施例1の構造で、圧電厚膜素子4の斜面全周に亘っ
て厚さの均一な空隙部5が形成されているとしたが、こ
の空隙部5は必ずしも厚さが均一でなくても圧電素子の
斜面と絶縁層の側壁が接触しない程度に隔てられていれ
ば良い。
A portion of the upper electrode 7 which extends over a part of the upper surface of the insulating layer 6 is a wiring portion 7a which acts as an electric wiring. This wiring portion 7a is a specific one in FIG. 1 (B). Although it is provided so as to be drawn out only in the directions, as a modification, it may be provided so as to be drawn out in a plurality of directions. Also,
In the structure of the first embodiment, the cavities 5 having a uniform thickness are formed over the entire circumference of the inclined surface of the piezoelectric thick film element 4, but the cavities 5 are not necessarily uniform in thickness. Also, it is sufficient that the slope of the piezoelectric element and the side wall of the insulating layer are separated from each other so as not to contact each other.

【0030】次に、本実施例1によるマイクロ圧電振動
子の製造方法について図2〜図6を用いて説明する。な
お、図2は、図3〜図6と比べ便宜上縮小してある。ま
ず、表面に500〜5000nmの厚さの表面酸化膜2
を形成した100面シリコン基板1にスパッター、蒸
着、イオンプレーティング等の薄膜形成手段でTiをバ
ッファーとしたPd/Ti2層電極(下部電極)3を形
成し、必要に応じてイオンミリング等の手段でパッター
ン化する。次いでこれを500℃〜800℃で熱処理を
施し、電極の基板に対する密着性の向上とそのあとの諸
工程に対する化学的安定化を図る。次に、下記に詳述す
る図7に示したジェットプリンティングシステム装置を
用い、PZT材料からなるスポット状圧電厚膜21を50
μm程度の厚さになる様に成膜する。
Next, a method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Note that FIG. 2 is reduced for convenience as compared with FIGS. 3 to 6. First, the surface oxide film 2 having a thickness of 500 to 5000 nm is formed on the surface.
A Pd / Ti two-layer electrode (lower electrode) 3 using Ti as a buffer is formed on the 100-faced silicon substrate 1 on which the Ti is formed by thin film forming means such as sputtering, vapor deposition, and ion plating, and if necessary, means such as ion milling. Turn into pattern. Next, this is heat-treated at 500 ° C. to 800 ° C. to improve the adhesion of the electrode to the substrate and to chemically stabilize the subsequent steps. Next, using the jet printing system device shown in FIG. 7 which will be described in detail below, 50 spot-shaped piezoelectric thick films 21 made of PZT material are formed.
The film is formed to have a thickness of about μm.

【0031】ここで、図7のジェットプリンティングシ
ステム装置及びジェットプリンティング法の成膜原理に
ついて記述する。図中の符号71は成膜室であり、その内
部に基板72を載置する基板加熱装置73が配置されてい
る。この基板加熱装置73には基板加熱用電源74が接続さ
れている。前記成膜室71には真空ポンプ75が連通されて
いる。前記基板72の上方にはノズル76が配置され、この
ノズル76には超微粒子搬送管77の一端が連通されてい
る。この搬送管77の他端は、平均粒径が0.2μm程度
のPZT超微粒子78を容れた超微粒子撹拌容器(エアロ
ゾル化室)79に連通されている。この撹拌容器79には、
バルブ80aを介装したガス搬送管80が連通されている。
この搬送管80には純エアー等のキャリアガスが導入され
る。
Here, the film forming principle of the jet printing system apparatus and the jet printing method of FIG. 7 will be described. Reference numeral 71 in the drawing denotes a film forming chamber, in which a substrate heating device 73 for mounting a substrate 72 is arranged. A substrate heating power source 74 is connected to the substrate heating device 73. A vacuum pump 75 is connected to the film forming chamber 71. A nozzle 76 is arranged above the substrate 72, and one end of an ultrafine particle carrying pipe 77 is connected to the nozzle 76. The other end of the carrier tube 77 is communicated with an ultrafine particle stirring container (aerosolization chamber) 79 containing PZT ultrafine particles 78 having an average particle size of about 0.2 μm. In this stirring container 79,
A gas transfer pipe 80 having a valve 80a interposed therein is communicated.
A carrier gas such as pure air is introduced into the carrier pipe 80.

【0032】PZT超微粉末77を容れたエアロゾル化室
79にガス搬送管80を経て純エアーを導入し、PZT超微
粉末78を飛散浮揚させる。飛散浮揚した超微粉末78は成
膜室71とエアロゾル化室79との差圧とノズル形状に対応
した速度で超微粉末搬送管77内を高速で移動し、該搬送
管77に直結し、その出射孔が基板方向に対面したノズル
76から基板72に対しジェット噴射される。基板72にはノ
ズル76の出射孔形状に対応した形状で成膜される。
Aerosolization chamber containing PZT ultrafine powder 77
Pure air is introduced into 79 through the gas transfer pipe 80, and the PZT ultrafine powder 78 is scattered and floated. The ultrafine powder 78 that has been scattered and floated moves at high speed in the ultrafine powder transfer pipe 77 at a speed corresponding to the pressure difference between the film forming chamber 71 and the aerosolization chamber 79 and the nozzle shape, and is directly connected to the transfer pipe 77. Nozzle with its exit hole facing the substrate
A jet is jetted from 76 onto the substrate 72. A film is formed on the substrate 72 in a shape corresponding to the shape of the emission hole of the nozzle 76.

【0033】本実施例1では出射孔形成が0.3mmφ
のノズルを用いた。この方法は、成膜速度が速い、成膜
組成は粉末組成からずれる事がない、完全な乾式成膜で
汚染の心配がない、ノズルの出射孔形状のままの形状で
成膜されパターン形状の厚膜がエッチングなしで得られ
る、等という従来の成膜法にない特徴を持つ。次いで、
基板との密着性、微粒子間結合力、結晶性の改良を目的
として500℃〜800℃の温度、空気又は酸素雰囲気
中で熱処理する(図2参照)。この段階で圧電スポット
膜21の形状は、図2に示したようなドーム状になってい
る。なお、このドーム状の圧電スポット膜21は高さ〜5
0μmで、1/2高さでの径は100μmである。
In the first embodiment, the emission hole formation is 0.3 mmφ.
Nozzle of was used. This method has a high film-forming speed, the film-forming composition does not deviate from the powder composition, there is no risk of contamination by complete dry film-forming, and the film is formed with the shape of the nozzle exit hole as it is. It has a feature not found in conventional film forming methods, such as obtaining a thick film without etching. Then
Heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C. to 800 ° C. in an air or oxygen atmosphere for the purpose of improving the adhesion to the substrate, the bonding force between fine particles, and the crystallinity (see FIG. 2). At this stage, the piezoelectric spot film 21 has a dome shape as shown in FIG. The dome-shaped piezoelectric spot film 21 has a height of 5 mm or less.
At 0 μm, the diameter at half height is 100 μm.

【0034】次に、基板1上にスポット状に形成した前
記圧電スポット膜21に空隙部(図6参照)形成の為の領
域を確保するため、80℃前後で溶融するパラフィン系
樹脂を溶融させた状態で滴下し、前記圧電スポット膜21
の斜面を流れ落ちる様にし、皮膜状第1犠牲層22を自然
放冷硬化形成する。更に常温硬化性樹脂または光硬化樹
脂をスピンコート、滴下法等で塗布、常温硬化または光
硬化させ絶縁層23を形成する(図3参照)。
Next, in order to secure a region for forming a void (see FIG. 6) in the piezoelectric spot film 21 formed in a spot shape on the substrate 1, a paraffin resin that melts at about 80 ° C. is melted. The piezoelectric spot film 21
The film-like first sacrificial layer 22 is naturally cooled and formed by allowing the film-like first sacrificial layer 22 to flow down. Further, a room temperature curable resin or a photocurable resin is applied by spin coating, a dropping method or the like, and then room temperature cured or photocured to form the insulating layer 23 (see FIG. 3).

【0035】次に、機械研磨や高精密研削で表面平坦化
し、圧電スポット膜21の上面、第1犠牲層22の上面及び
絶縁層23の上面が面一になるようにし、圧電スポット膜
21の上面が露出するようにする(図4参照)。
Next, the surface of the piezoelectric spot film 21 is flattened by mechanical polishing or high precision grinding so that the upper surface of the piezoelectric spot film 21, the upper surface of the first sacrificial layer 22 and the upper surface of the insulating layer 23 are flush with each other.
Make the top surface of 21 exposed (see Figure 4).

【0036】次に、金、銀、ニッケル、アルミニウム等
からなる上部電極兼分極電極24をスパッタ、真空蒸着等
の手段で全面に形成する。そして、下部電極3と上部電
極兼分極電極24との間に直流5kV程度の電圧を印加し
分極処理して圧電スポット膜21を圧電活性状態とする
(図5参照)。
Next, an upper electrode / polarized electrode 24 made of gold, silver, nickel, aluminum or the like is formed on the entire surface by means of sputtering, vacuum evaporation or the like. Then, a voltage of about 5 kV DC is applied between the lower electrode 3 and the polarized electrode 24 serving also as the upper electrode to perform the polarization process to bring the piezoelectric spot film 21 into the piezoelectrically active state (see FIG. 5).

【0037】次に、エッチングレジスト兼二層目の上部
電極として白金をパターン状に上部電極兼分極電極6の
上にスパッタやイオンプレーティング等の手段で成膜
し、その後王水や硝酸を用いて上部電極兼分極電極6の
白金膜が賦与されていない部分をパターン状にエッチン
グし、パターン化電極25を形成する。つづいて、第一犠
牲層22を100℃以上で加熱溶融除去し、空隙部26を形
成する(図6参照)。
Next, platinum is patterned in a pattern on the upper electrode / polarized electrode 6 as an etching resist / second upper electrode by means such as sputtering or ion plating, and then aqua regia or nitric acid is used. Then, the portion of the upper electrode / polarized electrode 6 where the platinum film is not applied is patterned to form a patterned electrode 25. Subsequently, the first sacrificial layer 22 is heated and melted and removed at 100 ° C. or higher to form the voids 26 (see FIG. 6).

【0038】次に、この実施例の作用を図1を用いて説
明する。以上述べた様な工程によって図1の様なマイク
ロ圧電振動子が実現できる。この構造の特徴は圧電厚膜
がジェットプリンティング法という成膜方法を用いて形
成したので基板との境界に接着層を介在しない。従って
接着の場合の様な不要振動が発生しない。またこの成膜
に用いる圧電体微粉末に対して組成ずれをせずに成膜で
きる。圧電体として最も一般的で圧電効果の大きいPZ
Tは複合酸化物で通常は経時変化や温度特性の改良、更
にセンサとしての感度に大きな影響を及ぼす機械的品質
係数Qmの増大等の圧電特性の改良を目的に微量添加物
を混入させた組成を用いている。本実施例による成膜方
法では厚膜の状態でも複雑な組成を確実に実現できるの
で、他の成膜方法による場合より経時変化や温度特性に
優れた圧電振動子が得られる。また、本実施例の成膜法
に用いるノズルの噴射孔を0.3mmφとすると成膜時
間10分程度で図2に示す様な高さ50μm、半値幅径
100〜200μmφのドーム状圧電スポット膜3が得
られる。これを熱処理することによって分極によって圧
電活性となりうる材質となる。そして前述した後続の工
程によって得られる圧電振動子の特徴は第一に円錐台形
をし、台形の底面に垂直な方向に分極処理された圧電厚
膜素子4であり、第二にその周囲に配設した空隙部5、
第三に圧電厚膜素子4の上面と絶縁層6の上面が面一と
なり、圧電素子上面全面と絶縁層の特定の領域に亘って
一体的に段差なく配設されたパターン化上部電極7で構
成されているということである。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG. The micro-piezoelectric vibrator as shown in FIG. 1 can be realized by the steps described above. The feature of this structure is that the piezoelectric thick film is formed by using a film forming method called a jet printing method, and therefore an adhesive layer is not interposed at the boundary with the substrate. Therefore, unnecessary vibration unlike in the case of adhesion does not occur. Further, the piezoelectric fine powder used for the film formation can be formed without causing compositional deviation. PZ, which is the most common piezoelectric body and has a large piezoelectric effect
T is a composite oxide, which is usually a composition in which a trace amount of additive is mixed for the purpose of improving aging and temperature characteristics, and further improving piezoelectric characteristics such as increase of mechanical quality factor Qm, which greatly affects the sensitivity as a sensor. Is used. Since the film forming method according to the present embodiment can surely realize a complicated composition even in the state of a thick film, a piezoelectric vibrator excellent in aging change and temperature characteristics can be obtained as compared with other film forming methods. Further, when the injection hole of the nozzle used in the film forming method of the present embodiment is 0.3 mmφ, the dome-shaped piezoelectric spot film having a height of 50 μm and a half value width diameter of 100 to 200 μmφ as shown in FIG. 3 is obtained. When this is heat-treated, it becomes a material that can be piezoelectrically activated by polarization. The characteristics of the piezoelectric vibrator obtained by the subsequent steps described above are, first of all, a piezoelectric thick film element 4 having a truncated cone shape and polarized in a direction perpendicular to the bottom surface of the trapezoid, and secondly arranged around it. The void part 5,
Thirdly, the upper surface of the piezoelectric thick film element 4 and the upper surface of the insulating layer 6 are flush with each other, and the patterned upper electrode 7 is disposed integrally and steplessly over the entire upper surface of the piezoelectric element and a specific region of the insulating layer. It is configured.

【0039】第一の構成により圧電振動子は断面が台形
なので特定の同一径の直径を持たない。その為、厚さと
直径の両寸法が近接してきても直径寸法に対応した共振
周波数で共振する厚み拡がり振動の勢力が円柱状に比べ
極めて小さく、従って、目的とした厚み縦振動のみが高
い振動効率即ち高いQmをもつことができる様になる。
このことは例えば圧電振動子を回路要素とした自励発振
回路を構成し圧電振動子の共振周波数や共振インピーダ
ンスの変化をこの自励発振回路の出力周波数や出力振幅
の変化に置き換えて圧電振動子の負荷の機械的特性を検
出するセンサを構成した場合、振動モードとび現象が起
こらなくなり安定したセンサ動作を期待できることにな
る。振動モードとび現象とは自励発振が共振抵抗の低い
方の振動モードで起こり易いというもので、例えば、圧
電振動子に検出対象物を接触しその機械的特性を検知し
ようとする場合、その接触動作で圧電振動子のそれまで
使用していた振動モードの共振抵抗が増加する。そうす
るとたまたま僅かに共振抵抗が高く自励発振しなかった
振動モードの共振抵抗の方が相対的に低くなってしまい
新たな振動モードで発振するということになり、振動の
変位方向が急に変化したり発振周波数が急変するという
ことが起こる。この様なことはセンサの信頼性を著しく
低下させるものであり、振動モードとび現象は完全に抑
圧しなくてはならない現象である。本実施例の第一の構
成にすることによりこの課題が解決されることは明らか
であり、マイクロマシンへの応用の様に寸法が極めて小
さくなってくるとこの構成の効果が益々顕著になるとい
うことは容易に推測できることである。さらに第一の構
成によって上下両電極端部間の最短距離が両電極間の厚
さより大きくなるので縁面放電を起こしにくくなり信頼
性の向上がはかれるという付加的な効果も得られる。
Since the piezoelectric vibrator has a trapezoidal cross section according to the first configuration, it does not have a specific diameter. Therefore, even if both the thickness and the diameter are close to each other, the force of the thickness spreading vibration that resonates at the resonance frequency corresponding to the diameter is extremely smaller than that of the cylindrical shape. Therefore, only the intended thickness longitudinal vibration has high vibration efficiency. That is, it becomes possible to have a high Qm.
This means, for example, that a self-excited oscillation circuit having a piezoelectric oscillator as a circuit element is formed, and changes in the resonance frequency and resonance impedance of the piezoelectric oscillator are replaced with changes in the output frequency and output amplitude of the self-excited oscillation circuit. When a sensor that detects the mechanical characteristics of the load is constructed, the vibration mode jump phenomenon does not occur, and stable sensor operation can be expected. The vibration mode jump phenomenon is that self-excited oscillation is likely to occur in the vibration mode with the lower resonance resistance.For example, when an object to be detected is brought into contact with a piezoelectric vibrator and its mechanical characteristics are detected, the contact The operation increases the resonance resistance of the vibration mode of the piezoelectric vibrator that has been used until then. As a result, the resonance resistance of the vibration mode, which happened to be slightly higher than that of the self-excited oscillation, becomes relatively lower, causing oscillation in a new vibration mode, and the displacement direction of vibration suddenly changes. Or the oscillation frequency suddenly changes. Such a thing significantly reduces the reliability of the sensor, and the vibration mode jump phenomenon is a phenomenon that must be completely suppressed. It is clear that this problem can be solved by adopting the first configuration of the present embodiment, and the effect of this configuration becomes more remarkable as the size becomes extremely small as in the case of application to a micromachine. Is an easy guess. Furthermore, since the shortest distance between the upper and lower electrode ends is larger than the thickness between both electrodes by the first configuration, edge discharge is less likely to occur, and the additional effect of improving reliability can be obtained.

【0040】次に第二の構成即ち空隙部の存在は、その
周囲に配した絶縁層と完全な非接触状態を実現させ、圧
電振動子のQmを高い状態に保つ事ができ高感度の圧電
振動子センサが実現できる。更に厚み縦振動からポアソ
ン比を介して励振される厚み拡がり振動は前記したよう
に共振先鋭度Qmが無視できる程い小さいが皆無になる
わけではない。
Next, the second structure, that is, the presence of the void portion, realizes a completely non-contact state with the insulating layer disposed around the second portion, and the Qm of the piezoelectric vibrator can be maintained in a high state. A vibrator sensor can be realized. Further, the thickness spreading vibration excited from the thickness longitudinal vibration through the Poisson's ratio is so small that the resonance sharpness Qm is negligible as described above, but it is not completely eliminated.

【0041】従って、もし絶縁層が圧電振動子の側壁に
接触でもしていると振動が絶縁層に漏れて行ったり、厚
み拡がり振動に対する機械的負荷だったものが、ポアソ
ン比を介して厚み縦振動の負荷になり肝心な厚み縦振動
を利用したセンシングに対するノイズになってしまう。
また、図1に示した単独の圧電振動子を以下の実施例に
示す様に多数配列させたアレイ型圧電振動子を構成した
時、振動の絶縁層への漏れは隣接した他の圧電振動子へ
影響を与え、素子間クロストーク特性を著しく悪化させ
ることになり、センサとしての横方向分解能の悪化を来
す。本実施例ではこの第二の構成を実施することにより
センサとしての横方向分解能の悪化に煩わされることが
なくなる。
Therefore, if the insulating layer is in contact with the side wall of the piezoelectric vibrator, vibration leaks to the insulating layer, and the mechanical load against the thickness spreading vibration is increased by the Poisson's ratio. It becomes a load of vibration and becomes noise for sensing using the essential thickness longitudinal vibration.
Further, when an array type piezoelectric vibrator in which a large number of the single piezoelectric vibrators shown in FIG. 1 are arrayed is formed as shown in the following embodiment, leakage of vibration to the insulating layer is caused by another adjacent piezoelectric vibrator. This adversely affects the crosstalk characteristics between elements and significantly deteriorates the lateral resolution of the sensor. In the present embodiment, by implementing this second configuration, the lateral resolution of the sensor does not become worse.

【0042】また、第三の構成、即ち、段差のないパタ
ーン化上部電極は上下部電極間の局部的偏りがないので
分極時に電界集中が起こらない。更に、駆動電界の電界
集中も起こらないので均一な分極分布を均一な駆動電界
で圧電駆動ができ、不要振動のない高効率の振動が励起
できる。これによって信頼性の高い圧電振動子動作を実
現することができるようになる。また、この第三の構成
においては、パターン化上部電極は圧電素子上面全面に
賦与されているので、エネルギー閉じ込め電極に比べ大
面積とすることができる。これによって、圧電振動子の
静電容量は比較的大きくでき、センサに応用した時のS
/Nの向上につながる。更には、エネルギー閉じ込め電
極の場合の静電容量の程度で十分の時はエネルギー閉じ
込め電極以外の領域を必要としないので、圧電振動子全
体の寸法を小さくできる。
In the third structure, that is, the patterned upper electrode having no step has no local deviation between the upper and lower electrodes, no electric field concentration occurs during polarization. Further, since the electric field concentration of the driving electric field does not occur, piezoelectric driving can be performed with a uniform polarization distribution with a uniform driving electric field, and vibration with high efficiency without unnecessary vibration can be excited. This makes it possible to realize highly reliable piezoelectric vibrator operation. In addition, in the third configuration, the patterned upper electrode is provided on the entire upper surface of the piezoelectric element, so that the area can be made larger than that of the energy trapping electrode. As a result, the electrostatic capacity of the piezoelectric vibrator can be made relatively large, and the S
/ N leads to improvement. Furthermore, when the capacitance of the energy trapping electrode is sufficient, no area other than the energy trapping electrode is required, and therefore the overall size of the piezoelectric vibrator can be reduced.

【0043】以上の様に、特徴ある3つの構成を含むこ
とにより、不要振動や振動モード飛び、電界集中による
不均一圧電動作などが起こらず、振動効率Qmの大きな
厚み縦振動を高い信頼性が実現でき、高感度なマイクロ
圧電センサやマイクロ圧電トランスデューサに応用でき
る様になる。またアレイ化によって対象物の機械的特性
の線状分布や面分布を高い分解能で検出できるようにな
る。
As described above, by including the three characteristic structures, unnecessary vibration, jumping of vibration modes, non-uniform piezoelectric operation due to electric field concentration, etc. do not occur, and thickness longitudinal vibration with large vibration efficiency Qm is highly reliable. It can be realized and can be applied to high-sensitivity micro piezoelectric sensors and micro piezoelectric transducers. In addition, by forming an array, it becomes possible to detect the linear distribution and surface distribution of the mechanical characteristics of the object with high resolution.

【0044】なお、この実施例の各構成は、当然、各種
の変形、変更が可能である。例えば、耐熱性基板は必ず
しもシリコンでなくてもよく、例えばアルミナやMgO
の様なものでも耐熱性のある基板であればよい。また、
下部電極も必ずしもPd/Tiに限定するものではな
く、Pt/Ti、Ag/Cu、Ir/TiやAu/Cr
の様な密着性の高い金属膜でもよいし、密着性さえ補償
されれば焼き付け銀や焼き付け白金等の単層膜であって
も構わない。更に、圧電厚膜の材質も必ずしもPZTで
なくても良く、例えばビスマス層状構造ペロブスカイト
構造やタングステンブロンズ構造の圧電物質でも構わな
い。更には、上部電極のパターン化は白金電極をマスク
にしてエッチングするという方法に限定するものではな
く、通常のフォトリソ法やイオンミリング法でも構わな
い。また、圧電厚膜の形状は必ずしも円錐台形に限定さ
れるものではなく角錐台形、楕円錐台形であっても構わ
ない。
Naturally, various modifications and changes can be made to each structure of this embodiment. For example, the heat resistant substrate does not necessarily have to be silicon, and may be alumina or MgO.
Such a substrate may be used as long as it has heat resistance. Also,
The lower electrode is not necessarily limited to Pd / Ti, but Pt / Ti, Ag / Cu, Ir / Ti or Au / Cr.
Such a metal film having high adhesion may be used, or a single layer film of baked silver or baked platinum may be used as long as the adhesion is compensated. Further, the material of the piezoelectric thick film does not necessarily have to be PZT, and for example, a piezoelectric substance having a bismuth layer structure perovskite structure or a tungsten bronze structure may be used. Further, the patterning of the upper electrode is not limited to the method of etching using the platinum electrode as a mask, and a usual photolithography method or ion milling method may be used. The shape of the piezoelectric thick film is not necessarily limited to the truncated cone shape, and may be a truncated pyramid shape or an elliptical truncated cone shape.

【0045】次に、実施例1の変形例について図8
(A)〜(C)を用いて説明する。この変形例は錐台形
構造の圧電厚膜の上面から見た構造が楕円形(図8
(B)参照)、角形(図8(C)参照)である点が異な
る。一般に厚み拡がり振動の電気機械結合係数は円形に
比べ、楕円や角形の方が小さい。円形でも台錐形にする
ことによって厚み拡がり振動の発生効率がかなり低下す
るが、円形という対称性の良好な形状が一部にでもあれ
ばその比率で僅かに厚み拡がり振動が励起されてしま
う。これに対し、この変形例の様に円形に比べ対称性の
悪い楕円形や角形にすることにより、その面での局部的
拡がり振動も起こりにくくなる。以上の様に本変形例に
よって更に振動が厚み縦振動に集中し振動効率が向上す
る。
Next, FIG. 8 shows a modification of the first embodiment.
A description will be given using (A) to (C). In this modification, the structure of the piezoelectric thick film having the frustum-shaped structure is elliptical (see FIG. 8).
(See (B)) and rectangular (see FIG. 8C). Generally, the electromechanical coupling coefficient of thickness spreading vibration is smaller in an ellipse or a prism than in a circle. Even if the shape of the circle is frustum-shaped, the efficiency of generating the thickness spreading vibration is considerably lowered, but if there is a part of the shape with good symmetry, such as a circle, the thickness spreading vibration is slightly excited by the ratio. On the other hand, if the elliptical shape or the rectangular shape, which is less symmetrical than the circular shape, is used as in this modified example, the local spreading vibration on the surface is less likely to occur. As described above, according to this modification, the vibration is further concentrated on the thickness longitudinal vibration, and the vibration efficiency is improved.

【0046】(実施例2)本発明の実施例2を図9とそ
の製造方法について図10(A)〜(C)を用いて説明す
る。なお、図1〜図6と同部材は同符号を付して説明を
省略する。
(Embodiment 2) A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9 and its manufacturing method with reference to FIGS. The same members as those in FIGS. 1 to 6 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

【0047】本実施例2は実施例1の構造(図1)のマ
イクロ圧電振動子の上面のうち圧電膜厚素子上面部を中
心に例えばポリウレタンやシリコーン樹脂やエポキシ樹
脂からなる受圧部91を配設した構造のマイクロ圧電セン
サである。なお、図9において、符号92は第2空隙部、
符号93は閉じた微細孔を示す。
In the second embodiment, a pressure receiving portion 91 made of, for example, polyurethane, silicone resin or epoxy resin is arranged around the upper surface of the piezoelectric film thickness element on the upper surface of the micro-piezoelectric vibrator having the structure of the first embodiment (FIG. 1). It is a micro-piezoelectric sensor with the structure provided. In FIG. 9, reference numeral 92 is a second void portion,
Reference numeral 93 indicates a closed fine hole.

【0048】以下に、本実施例2の構造のマイクロ圧電
センサの製造方法について図10(A)〜(C)を用いて
説明する。実施例1によるマイクロ圧電振動子(図1)
の圧電厚膜素子4の上面円周に沿って実施例1と同様8
0℃程度で溶融する樹脂材料を溶融させた状態でマイク
ロディスペンサ等を用いて圧電厚膜素子4の上面円周に
沿って縁取りするように塗布し、自然放冷硬化させ第2
犠牲層94を形成する(図10(A)参照)。第2犠牲層用
溶融樹脂は、塗布直後から硬化するので空隙部の奥まで
侵入することはなかった。次に前記第2犠牲層94が完全
に被覆され、かつ、空隙部上の第2犠牲層被覆部の厚み
が厚すぎない程度に圧電素子上面部を中心にポリウレタ
ン、シリコーン、エポキシ樹脂等をスポット状に塗布
し、室温または50℃程度で半硬化させ、受圧部91を形
成する(図10(B)参照)。そして、この半硬化状態の
受圧部91の周縁部の数カ所に針で微細孔93をあけ、最後
に100℃〜150℃の温度に加熱し第2犠牲層94を前
記微細孔93を通して飛散させる。この時、同時に半硬化
状態だった受圧部樹脂は完全に硬化し化学的に安定した
状態となる(図10(C)参照)。この様な構成にしたこ
とによる作用を以下に記述する。
A method of manufacturing the micro-piezoelectric sensor having the structure of the second embodiment will be described below with reference to FIGS. Micro-piezoelectric vibrator according to Example 1 (FIG. 1)
Along the circumference of the upper surface of the piezoelectric thick film element 4 of No. 8 as in Example 1.
A resin material that melts at about 0 ° C. is applied in a molten state so as to be trimmed along the circumference of the upper surface of the piezoelectric thick film element 4 by using a microdispenser or the like, and is naturally cooled and allowed to cool.
The sacrificial layer 94 is formed (see FIG. 10A). The molten resin for the second sacrificial layer was hardened immediately after coating, so that it did not penetrate deep into the void. Next, the second sacrificial layer 94 is completely covered, and polyurethane, silicone, epoxy resin or the like is spotted around the upper surface of the piezoelectric element to the extent that the thickness of the second sacrificial layer covering portion on the void is not too thick. And then semi-cured at room temperature or about 50 ° C. to form the pressure receiving portion 91 (see FIG. 10B). Then, fine holes 93 are made with a needle at several places on the periphery of the pressure receiving portion 91 in the semi-cured state, and finally, the second sacrificial layer 94 is scattered through the fine holes 93 by heating to a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. At this time, at the same time, the pressure receiving portion resin, which was in the semi-cured state, is completely cured and becomes chemically stable (see FIG. 10C). The operation of having such a configuration will be described below.

【0049】実施例1の構造(図1)でも検知対象物の
方が比較的柔らかいか凸形状をしていれば問題ないが、
対象物が比較的固く平面状か凹面形状をしている時、圧
電振動子の振動端が被対象物に正常に接しないことが起
こり、正確な検知ができない場合がある。そこで本実施
例2では図9や図10に示した様な凸状受圧部を配設し、
対象物に対し常に正常な接触状態を実現させるというも
のである。なお、第二犠牲層94を飛散させ第2空隙部92
を設けた理由は、第一に受圧部91の周縁部を絶縁層上に
設け受圧部91に対する対象物からのこすり摩擦力による
はがれや変形に対する抗力を備えつけることであり、第
二に圧電厚膜素子上の受圧部91と絶縁層上の受圧部91が
音響的な結合を弱め圧電振動子のQmの低下を防ぐため
であり、第三に対象物やその近傍に存在する体液等の汚
染物質が空隙部5に侵入することを防ぐ為である。
Even in the structure of the first embodiment (FIG. 1), there is no problem if the object to be detected is relatively soft or has a convex shape.
When the object is relatively hard and has a flat or concave shape, the vibrating end of the piezoelectric vibrator may not normally contact the object, and accurate detection may not be possible. Therefore, in the second embodiment, a convex pressure receiving portion as shown in FIGS. 9 and 10 is provided,
This is to always achieve a normal contact state with the object. The second sacrificial layer 94 is scattered and the second void 92 is
The reason for providing is that firstly, the peripheral portion of the pressure receiving portion 91 is provided on the insulating layer to provide a resistance against peeling or deformation due to the rubbing frictional force from the object on the pressure receiving portion 91, and secondly the piezoelectric thickness. This is because the pressure-receiving portion 91 on the membrane element and the pressure-receiving portion 91 on the insulating layer weaken the acoustic coupling and prevent the Qm of the piezoelectric vibrator from decreasing. Thirdly, the contamination of the body fluid or the like existing in the vicinity of the target object This is to prevent the substance from entering the void 5.

【0050】第三の効果は以下の様な理由による。第2
犠牲層物質は加熱によってあらかじめ半硬化状態の受圧
部91に設けた微細孔93を通り孔の外に抜け出るが、最後
に抜け出ようとする物質はそれ以上空隙部にガス圧が残
っていないので微細孔93から抜け出すことができず微細
孔93に停留した状態で微細孔93を塞ぐようにして固化す
る。本実施例2は以上の様な効果を発揮できるので生体
等を対象物とした機械的特性の検出に対し、感度が高
く、耐薬品性の良好なマイクロ圧電センサが得られる。
The third effect is due to the following reason. Second
The material of the sacrificial layer passes through the fine holes 93 provided in the pressure receiving portion 91 in a semi-cured state in advance by heating, and escapes to the outside of the hole. When the fine holes 93 cannot be escaped from the holes 93 and remain in the fine holes 93, the fine holes 93 are closed and solidified. Since the second embodiment can exert the above-described effects, a micro-piezoelectric sensor having high sensitivity and good chemical resistance with respect to detection of mechanical characteristics of an object such as a living body can be obtained.

【0051】次に、本実施例2の変形例を図11に示し
て説明する。本変形例は受圧部111が圧電厚膜素子4に
接合した弾性部材112 を介して配設されている。なお、
図中の符号113 は受圧部111 に設けた微細孔、符号114
は第2空隙部を示す。かかる構成のマイクロ圧電センサ
は図12(A)〜(C)のようにして製造する。
Next, a modification of the second embodiment will be described with reference to FIG. In this modification, the pressure receiving portion 111 is arranged via an elastic member 112 joined to the piezoelectric thick film element 4. In addition,
In the figure, reference numeral 113 is a fine hole provided in the pressure receiving portion 111, and reference numeral 114
Indicates the second void portion. The micro-piezoelectric sensor having such a structure is manufactured as shown in FIGS.

【0052】即ち、まず、例えばアルミナやジルコニア
のセラミクスまたはマコールの様な結晶化ガラスを微細
に加工し、これを接着等の手段で接合し、弾性部材112
をパターン化された上部電極7上の所定の位置に形成す
る(図12(A)参照)。次いで、弾性部材112 の下外周
部にマイクロディスペンサで低融点樹脂からなる第2犠
牲層94を塗布した後、受圧部となるポリウレタン、シリ
コーン、エポキシ樹脂等から成る半硬化樹脂膜115 を形
成する(図12(B)参照)。更に、加熱して第2犠牲層
94を飛散除去すると共に半硬化樹脂膜115 を完全硬化さ
せ受圧部111 を得る(図12(C)参照)。
That is, first, a crystallized glass such as ceramics of alumina or zirconia or a crystallized glass such as macol is finely processed and joined by a means such as adhesion, and the elastic member 112 is formed.
Is formed at a predetermined position on the patterned upper electrode 7 (see FIG. 12A). Then, the second sacrificial layer 94 made of a low melting point resin is applied to the lower outer peripheral portion of the elastic member 112 by a micro dispenser, and then a semi-cured resin film 115 made of polyurethane, silicone, epoxy resin or the like is formed as a pressure receiving portion ( See FIG. 12 (B). Furthermore, the second sacrificial layer is heated and heated.
The semi-cured resin film 115 is completely cured and the pressure receiving portion 111 is obtained (see FIG. 12C).

【0053】この様な構成にすることにより、受圧部11
1 に占める振動効率Qmの良好な物質の体積比が大きく
なり、受圧部111 全体が樹脂の場合より圧電振動子全体
のQmが大きくなり、センサとして用いた時の感度が向
上する。また、受圧部111 の構造が一定となるので、構
造,寸法の再現性に富むものになり、それに伴って圧電
振動子特性も再現性が増すので動作回路との整合性が良
好になる。
With such a structure, the pressure receiving portion 11
The volume ratio of a substance having a good vibration efficiency Qm in 1 is large, the Qm of the entire piezoelectric vibrator is larger than that of the case where the entire pressure receiving portion 111 is resin, and the sensitivity when used as a sensor is improved. Further, since the structure of the pressure receiving portion 111 is constant, the reproducibility of the structure and dimensions is enhanced, and the reproducibility of the piezoelectric vibrator characteristics is increased accordingly, and the matching with the operating circuit is improved.

【0054】(実施例3)本発明による実施例3を図1
3(A)〜(D)を用いて説明する。ここで、図13
(A)は本発明による直線状アレイ型マイクロ圧電トラ
ンスデューサの上面図、図13(B)は図13(A)の単位
圧電振動子Pの部分の拡大上面図、図13(C)は図13
(B)の単位圧電振動子130 のX−X線に沿う断面図、
図13(D)は図13(B)のY−Y線に沿う断面図であ
る。ここで、単位圧電振動子130 は、基板上に多数直線
状に配列されている。
Example 3 FIG. 1 shows Example 3 according to the present invention.
3 (A) to (D) will be described. Where Figure 13
13A is a top view of the linear array type micro-piezoelectric transducer according to the present invention, FIG. 13B is an enlarged top view of the unit piezoelectric vibrator P of FIG. 13A, and FIG.
(B) A sectional view of the unit piezoelectric vibrator 130 taken along line XX,
FIG. 13D is a sectional view taken along the line YY of FIG. Here, the plurality of unit piezoelectric vibrators 130 are arranged linearly on the substrate.

【0055】図中の符号131 は、表面に表面酸化膜132
を形成したSi基板である。この基板131 上には、例え
ばPd/Tiからなる二層下部ストライプ電極(下部電
極)133 が形成されている。この下部電極133 上には、
断面が台形構造、例えば円錐台形構造をし、上面から下
面、またはその逆方向に分極されている例えばジルコン
チタン酸鉛(PZT)からなる圧電厚膜素子134 が配設
されている。そして、圧電厚膜素子134 の斜面全周に亘
って厚さの均一な空隙部135 が形成され、更にその周囲
に圧電厚膜の上面と面一の上面を有する絶縁層136 が配
置されている。前記、圧電厚膜素子134 の上面の全面と
絶縁層136 の上面の一部に亘って、空隙部135 を跨ぐ様
に一体的に電気配線として作用するパターン化した上部
電極137が配設されている。ここで、上部電極137 は共
通接地電極138 によって導通され全ての単位圧電振動子
130 が接地される。また、前記下部電極133 の長さ方向
の端部には、例えば金、銀、白金、パラジウムの様な熱
に対し安定した金属をジェットプリンティング法で突起
状に成膜し、高さが50μm程度の下部電極突起139 が
形成されている。なお、図中の符号140 は下部電極突起
被膜電極を示す。
Reference numeral 131 in the figure indicates a surface oxide film 132 on the surface.
Is a Si substrate on which is formed. A two-layer lower stripe electrode (lower electrode) 133 made of, for example, Pd / Ti is formed on the substrate 131. On this lower electrode 133,
A piezoelectric thick film element 134 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT) having a trapezoidal cross section, for example, a frustoconical structure, and polarized in the upper surface to the lower surface or in the opposite direction is provided. Then, a void 135 having a uniform thickness is formed along the entire circumference of the inclined surface of the piezoelectric thick film element 134, and an insulating layer 136 having an upper surface flush with the upper surface of the piezoelectric thick film is arranged around the void 135. . The patterned upper electrode 137 that integrally acts as an electric wiring is provided so as to straddle the void 135 over the entire upper surface of the piezoelectric thick film element 134 and a part of the upper surface of the insulating layer 136. There is. Here, the upper electrode 137 is electrically connected by the common ground electrode 138 and is connected to all unit piezoelectric vibrators.
130 is grounded. In addition, a metal such as gold, silver, platinum, or palladium, which is stable against heat, is formed in a projection shape by a jet printing method on the end portion in the length direction of the lower electrode 133, and the height is about 50 μm. Lower electrode protrusions 139 are formed. Reference numeral 140 in the figure denotes a lower electrode projection coating electrode.

【0056】上記構成の直線状アレイ型マイクロ圧電ト
ランスデューサは、次のようにして製造する。まず、表
面酸化膜132 を形成したSi基板131 上に下部電極133
を形成する。次に、前記下部電極133 の長さ方向の端部
には、例えば金、銀、白金、パラジウムの様な熱に対し
安定した金属をジェットプリンティング法で突起状に成
膜し、高さが50μm程度の下部電極突起139 の原形を
形成する。つづいて、この下部電極突起139 の原形の近
傍を避けた下部電極133 の上にジェットプリンティング
法でPZTからなる圧電厚膜素子134 の原形を形成す
る。ジェットプリンティング法に用いるノズルは、その
微粉末噴射孔の形状がスリット状で例えば長さ3mm、
幅0.15mmの寸法をしたものが好ましい。
The linear array type micro-piezoelectric transducer having the above structure is manufactured as follows. First, the lower electrode 133 is formed on the Si substrate 131 on which the surface oxide film 132 is formed.
To form. Next, a metal, such as gold, silver, platinum, or palladium, which is stable against heat, is formed on the end portion in the length direction of the lower electrode 133 in a projection shape by a jet printing method and has a height of 50 μm. The original shape of the lower electrode protrusion 139 is formed. Subsequently, the original shape of the piezoelectric thick film element 134 made of PZT is formed by the jet printing method on the lower electrode 133 avoiding the vicinity of the original shape of the lower electrode protrusion 139. The nozzle used in the jet printing method has a fine powder injection hole having a slit shape, for example, a length of 3 mm,
Those having a width of 0.15 mm are preferable.

【0057】このノズルで形成した直後の厚膜はその半
値幅が0.12mm、高さ50μm、長さ約3mmの尾根状
をしており上面がない。次に、500℃〜800℃で熱
処理しPZT膜の基板に対する密着性、粒子間結合力、
結晶性を改質させる。そして、この熱処理後の尾根状圧
電素子原形の上にマイクロディスペンサを用いて溶融犠
牲層材を塗布する。溶融犠牲層材は尾根の頂上から尾根
の斜面に沿って流れ落ちる。そして自然冷却によって硬
化し、10μm程度の膜厚の犠牲層が形成する。
Immediately after being formed by this nozzle, the thick film has a ridge shape with a half width of 0.12 mm, a height of 50 μm and a length of about 3 mm, and has no upper surface. Next, heat treatment is performed at 500 ° C. to 800 ° C., adhesion of the PZT film to the substrate, interparticle bonding force,
Modify crystallinity. Then, the molten sacrificial layer material is applied onto the ridge-shaped piezoelectric element original shape after the heat treatment using a microdispenser. The molten sacrificial layer material flows down from the top of the ridge along the slope of the ridge. Then, it is hardened by natural cooling to form a sacrificial layer having a film thickness of about 10 μm.

【0058】次に、絶縁層になる樹脂材料、例えばエポ
キシ、ウレタン、フェノール系等の樹脂液を、基板131
から平均で50μm〜80μmの高さになるように全て
の尾根状圧電素子原形と下部電極突起139 の原形に亘っ
て一様に塗布コーティングする。なお、本実施例3の様
に、最終的な圧電厚膜素子134 の厚さ、下部電極突起13
9 の高さ、絶縁層136 の厚さを、いずれも40μm程度
を目標とする時、前記樹脂膜はその最小膜厚が45μm
程度となる凹凸状態であっても良いことはいうまでもな
い。
Next, a resin material for forming an insulating layer, for example, a resin liquid such as epoxy, urethane, or phenol is applied to the substrate 131.
To 50 .mu.m to 80 .mu.m on average, all the ridge-shaped piezoelectric element prototypes and the lower electrode projections 139 prototypes are uniformly applied and coated. As in the third embodiment, the final thickness of the piezoelectric thick film element 134, the lower electrode projection 13
When the height of 9 and the thickness of the insulating layer 136 are both about 40 μm, the minimum thickness of the resin film is 45 μm.
It goes without saying that it may be a roughened state.

【0059】次に、絶縁層原形を室温または光で硬化さ
せ、研磨し全面を40μm程度の厚さに平坦化し、しか
る後、図13(B)に示した様に研磨によって露出した圧
電厚膜素子138 と下部電極突起139 のそれぞれに下部電
極突起被膜電極140 を帯状に連通した金属膜と、圧電素
子とそれらが挟む絶縁層、犠牲層表面に亘って帯状に金
属膜を隔てて配設し、両帯状金属膜間に4kV/mm程
度の直流電圧を印加し分極し圧電厚膜素子138 を圧電活
性な状態とする。そして、上部電極137 、下部電極突起
被膜電極140 、及び上部電極137 を全て共通接地電位と
するための共通接地電極136 を通常のフォトリソ工程を
用いて形成する。最後に、犠牲層樹脂の溶融温度以上、
例えば100℃〜150℃に加熱し、犠牲層樹脂を完全
に飛散除去し、空隙部135 を形成する。以上の様な製法
で製造した図12(A)に示す構造の直線状圧電振動子ア
レイ141 は、以下の様な作用及び効果を持つ。
Next, the insulating layer prototype is cured at room temperature or light and polished to flatten the entire surface to a thickness of about 40 μm, and thereafter, as shown in FIG. 13B, the exposed piezoelectric thick film is polished. A metal film in which the lower electrode protrusion coating electrode 140 is connected to each of the element 138 and the lower electrode protrusion 139 in a strip shape, a piezoelectric film, an insulating layer sandwiched between them, and a metal film in a strip shape are provided over the surface of the sacrifice layer. , A DC voltage of about 4 kV / mm is applied between the two strip-shaped metal films to polarize the piezoelectric thick film element 138 to a piezoelectrically active state. Then, the upper electrode 137, the lower electrode protruding coating electrode 140, and the common ground electrode 136 for setting all of the upper electrode 137 to the common ground potential are formed by using a normal photolithography process. Finally, above the melting temperature of the sacrificial layer resin,
For example, the sacrificial layer resin is completely scattered and removed by heating at 100 ° C. to 150 ° C. to form the void portion 135. The linear piezoelectric vibrator array 141 having the structure shown in FIG. 12A manufactured by the above manufacturing method has the following actions and effects.

【0060】即ち、圧電振動子の断面形状が台形だし、
その周囲に空隙があるので圧電振動子間クロストークが
極めて小さくなる。また、圧電厚膜素子の製法としてダ
イシングの場合のような切削残留歪みやマイクロラック
を一切持っていないので、単独の圧電振動子の経時変化
が少なくなり信頼性が非常に良くなる。これらの各単独
の圧電振動子が直線上に配列しており、この直線状圧電
振動子アレイを対象物に接触すると、線状に並んだ圧電
振動子の各々の振動周波数と共振抵抗は各単独の圧電振
動子が接触した対象物の各部の対象物の弾性的特性に応
じた値を持ち、これらの値の違いにより対象物の機械的
特性例えば弾性率や粘性率の線方向分布がわかることに
なる。圧電振動子の各々の共振周波数と共振抵抗は各圧
電振動子が台形をしているし、各圧電振動子間が空隙層
によって音響的に隔絶されているので圧電振動子間クロ
ストークが極めて小さく、その為直線方向の分解能が大
きくなり、特に対象物の微小直線領域における直線方向
機械特性分布を高分解能で検出できることになる。また
これを圧電振動子の配列方向に対し垂直方向に走査する
ことによって面情報が得られる様になる。
That is, the sectional shape of the piezoelectric vibrator is trapezoidal,
Since there is a void around it, crosstalk between the piezoelectric vibrators becomes extremely small. In addition, since the piezoelectric thick film element has no residual cutting strain or microrack unlike the case of dicing as a method of manufacturing the piezoelectric thick film element, the change over time of a single piezoelectric vibrator is reduced and the reliability is extremely improved. These individual piezoelectric vibrators are arranged in a straight line, and when this linear piezoelectric vibrator array is brought into contact with an object, the vibration frequency and resonance resistance of each of the linearly arranged piezoelectric vibrators become independent. The piezoelectric vibrator has a value according to the elastic property of the object in each part of the object with which it comes into contact, and the mechanical characteristics of the object, such as the linear distribution of elastic modulus and viscosity, can be known by the difference of these values. become. The resonance frequency and resonance resistance of each piezoelectric vibrator are trapezoidal, and since each piezoelectric vibrator is acoustically isolated by the air gap layer, crosstalk between piezoelectric vibrators is extremely small. Therefore, the resolution in the linear direction becomes large, and the linear mechanical characteristic distribution in the minute linear region of the object can be detected with high resolution. Further, by scanning this in the direction perpendicular to the arrangement direction of the piezoelectric vibrators, surface information can be obtained.

【0061】次に、本実施例3の変形例について図14
を用いて説明する。但し、図13と同部材は同符号を付し
て説明を省略する。本変形例の基本構造は実施例3と全
く同じであるが、圧電振動子の上面部に受圧部兼音響整
合層145 が付設されているところが異なる。図14は実施
例3(図13(D))の単独の圧電振動子の断面図と対比
した図である。両側の斜面に、第一空隙部146 を配した
台形状の圧電厚膜素子134 に、第二空隙部147 を有した
例えばエポキシ樹脂等の様な対象物の音響インピーダン
スと圧電素子の音響インピーダンスの相乗平均に近い音
響インピーダンスを有する受圧部兼音響整合層145 が圧
電振動子上面部、絶縁層136 、下部電極突起被覆電極
(図示していない)、に亘って特定の厚さ、即ち4分の
1波長の厚さで配設されている。この様な構成にするこ
とにより、対象物が生体の様に音響インピーダンスが圧
電厚膜素子と異なる場合でも対象物の断層像を検出する
アレイ型マイクロ圧電トランスデューサを実現する事が
できる様になる。
Next, FIG. 14 shows a modification of the third embodiment.
Will be explained. However, the same members as those in FIG. 13 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. The basic structure of this modification is exactly the same as that of the third embodiment, except that the pressure receiving portion / acoustic matching layer 145 is additionally provided on the upper surface of the piezoelectric vibrator. FIG. 14 is a diagram comparing with a sectional view of a single piezoelectric vibrator of Example 3 (FIG. 13D). The trapezoidal piezoelectric thick film element 134 in which the first void portion 146 is arranged on the slopes on both sides, the acoustic impedance of the object having the second void portion 147 such as an epoxy resin and the acoustic impedance of the piezoelectric element. The pressure-receiving portion / acoustic matching layer 145 having an acoustic impedance close to the geometric mean extends over the piezoelectric vibrator upper surface portion, the insulating layer 136, and the lower electrode projection covering electrode (not shown) to a specific thickness, that is, a quarter It is arranged with a thickness of one wavelength. With such a configuration, it is possible to realize an array type micro-piezoelectric transducer that detects a tomographic image of an object even when the object has a different acoustic impedance from the piezoelectric thick film element like a living body.

【0062】(実施例4)本発明による実施例4を、図
15(A)〜(D)を用いて説明する。ここで、図15
(A)は本実施例4による円筒外周面に沿ったアレイ型
マイクロ圧電トランスデューサの側面図、図15(B)は
単独の圧電振動子の上面図、図15(C)は図15(B)の
X−X線に沿う断面図、図15(D)は図15(B)のY−
Y線に沿う断面図である。
(Fourth Embodiment) A fourth embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. Where Figure 15
15A is a side view of the array type micro-piezoelectric transducer along the outer peripheral surface of the cylinder according to the fourth embodiment, FIG. 15B is a top view of a single piezoelectric vibrator, and FIG. 15C is FIG. 15B. 15 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
It is sectional drawing which follows the Y line.

【0063】図中の符号151 は、例えば快削性セラミッ
クス、マコールからなる外径5mm、長さ5mmの円筒状絶
縁基板(円筒基板)である。この円筒基板151 上には、
下部電極152 として幅80μm、長さ5mm、厚さ10μ
mの金ストライプ電極が120μmの間隔でジェットプ
リンティング法で形成されている。この下部電極152上
には、断面が台形構造、例えば円錐台形構造をし、上面
から下面、またはその逆方向に分極されている例えばジ
ルコンチタン酸鉛(PZT)からなる圧電厚膜素子153
が配設されている。そして、圧電厚膜素子153 の斜面全
周に亘って厚さの均一な空隙部154 が形成され、更にそ
の周囲に圧電厚膜の上面と面一の上面を有する絶縁層15
5 が配置されている。前記、圧電厚膜素子153 の上面の
全面と絶縁層155 の上面の一部に亘って、空隙部154 を
跨ぐ様に一体的に電気配線として作用するパターン化し
た上部電極156 が配設されている。ここで、上部電極15
6は共通接地電極157 によって導通され全ての単位圧電
振動子158 の上部電極が接地される。また、前記下部電
極152 の長さ方向の端部には、例えば金、銀、白金、パ
ラジウムの様な熱に対し安定した金属をジェットプリン
ティング法で突起状に成膜し、高さが50μm程度の下
部電極突起159 が形成されている。なお、図中の符号16
0 は下部電極突起被膜電極、符号161 は接地側配線、符
号162 は駆動信号入出力配線、符号163 は配線被覆コー
ドを示す。
Reference numeral 151 in the figure denotes a cylindrical insulating substrate (cylindrical substrate) made of, for example, free-cutting ceramics, Macor and having an outer diameter of 5 mm and a length of 5 mm. On this cylindrical substrate 151,
The lower electrode 152 has a width of 80 μm, a length of 5 mm, and a thickness of 10 μ
m gold stripe electrodes are formed at intervals of 120 μm by the jet printing method. A piezoelectric thick film element 153 made of, for example, lead zirconate titanate (PZT), which has a trapezoidal structure in section, for example, a truncated cone shape, and is polarized from the upper surface to the lower surface, or in the opposite direction, is formed on the lower electrode 152.
Is provided. Then, a void 154 having a uniform thickness is formed along the entire circumference of the inclined surface of the piezoelectric thick film element 153, and the insulating layer 15 having the upper surface flush with the upper surface of the piezoelectric thick film is formed around the void portion 154.
5 are arranged. A patterned upper electrode 156 that integrally acts as an electric wiring is provided so as to straddle the void 154 over the entire upper surface of the piezoelectric thick film element 153 and a part of the upper surface of the insulating layer 155. There is. Where the upper electrode 15
6 is electrically connected by a common ground electrode 157, and the upper electrodes of all unit piezoelectric vibrators 158 are grounded. In addition, a metal such as gold, silver, platinum, or palladium, which is stable against heat, is formed in a protrusion shape by a jet printing method on the end portion in the length direction of the lower electrode 152, and the height thereof is about 50 μm. The lower electrode protrusions 159 are formed. Note that reference numeral 16 in the figure
Reference numeral 0 indicates a lower electrode projection coating electrode, reference numeral 161 indicates a ground side wiring, reference numeral 162 indicates a drive signal input / output wiring, and reference numeral 163 indicates a wiring coating code.

【0064】こうした構成のアレイ型マイクロ圧電トラ
ンスデューサは次のようにして製造する。まず、円筒基
板151上に、下部電極152 として幅80μm、長さ5m
m、厚さ10μmの金ストライプ電極が120μmの間
隔でジェットプリンティング法で形成する。この形成方
法は以下の通りである。前記円筒基板151 を円筒外周長
で120μmずつ回転させ、噴射孔寸法が幅90μm、
長さ5mmのノズルを用いて金超微粉末を用いてジェット
プリンティング成膜する。この各ストライプ状電極の端
部には下部電極突起159 が膜厚方向に形成されている
が、この下部電極突起159 の形成方法は実施例3と同じ
であるのでここでは略す。
The array type micro-piezoelectric transducer having such a structure is manufactured as follows. First, on the cylindrical substrate 151, the lower electrode 152 has a width of 80 μm and a length of 5 m.
Gold stripe electrodes of m and 10 μm in thickness are formed by jet printing at intervals of 120 μm. This forming method is as follows. The cylindrical substrate 151 is rotated by 120 μm at the outer circumference of the cylinder, and the injection hole has a width of 90 μm.
A jet printing film is formed using ultrafine gold powder using a nozzle having a length of 5 mm. Lower electrode protrusions 159 are formed in the film thickness direction at the end portions of each of the striped electrodes, but the method of forming the lower electrode protrusions 159 is the same as that of the third embodiment, so the description thereof is omitted here.

【0065】次に、前記ストライプ状で断面が台形のP
ZTからなる圧電厚膜素子154 を形成する。つまり、噴
射孔の形状が幅100μm、長さ5mmのノズルを用いて
PZT微粉末を用いてジェットプリンティング成膜す
る。このノズルで形成した直後の厚膜はその半値幅が1
00μm、高さ50μm、長さ約5mmの尾根状をしてお
り上面がない。次いで、500℃〜800℃で熱処理し
PZT膜の基板に対する密着性、粒子間結合力、結晶性
を改質させる。そして、この熱処理後の尾根状で圧電厚
膜素子154 の原形(図示せず)の上にマイクロディスペ
ンサを用いて溶融犠牲層材を塗布する。溶融犠牲層材は
尾根の頂上から尾根の斜面に沿って流れ落ちる。そして
自然冷却によって硬化し、10μm程度の膜厚の犠牲層
が形成する。次に絶縁層になる樹脂材料、例えばエポキ
シ、ウレタン、フェノール系等の樹脂液を円筒基板151
表面から平均で50μm〜80μmの高さになるように
全ての尾根状圧電素子原形と下部電極突起159 の原形に
亘って一様にディップ塗布コーティングする。
Next, the stripe-shaped P having a trapezoidal cross section is used.
A piezoelectric thick film element 154 made of ZT is formed. That is, jet printing film formation is performed using PZT fine powder using a nozzle having a shape of the injection hole having a width of 100 μm and a length of 5 mm. The full width at half maximum of the thick film immediately after being formed by this nozzle is 1
It has a ridge shape of 00 μm, height 50 μm, and length of about 5 mm, and there is no upper surface. Then, heat treatment is performed at 500 ° C. to 800 ° C. to modify the adhesion of the PZT film to the substrate, the interparticle bonding force, and the crystallinity. Then, the molten sacrificial layer material is applied to the original shape (not shown) of the piezoelectric thick film element 154 in the ridge shape after the heat treatment by using a microdispenser. The molten sacrificial layer material flows down from the top of the ridge along the slope of the ridge. Then, it is hardened by natural cooling to form a sacrificial layer having a film thickness of about 10 μm. Next, a resin material for forming an insulating layer, for example, a resin liquid such as epoxy, urethane, or phenol resin is applied to the cylindrical substrate 151.
All the ridge-shaped piezoelectric element prototypes and the lower electrode protrusions 159 prototypes are evenly dip-coated so that the average height from the surface is 50 μm to 80 μm.

【0066】次に、絶縁層原形を室温または光で硬化さ
せ、外周研磨し全面を40μm程度の厚さに平坦化し、
しかる後、研磨によって露出した圧電厚膜素子153 と下
部電極突起159 のそれぞれに下部電極突起被膜電極160
を帯状に連通した金属膜と、圧電厚膜素子とそれらが挟
む絶縁層、犠牲層表面に亘って帯状に金属膜を、互いに
隔てて配置するように配設し、両帯状金属膜間に4kV
/mm程度の直流電圧を印加し、分極し圧電厚膜素子15
3 を圧電活性な状態とする。そして、上部電極156 、下
部電極突起被膜電極160 、及び上部電極156 を全て共通
接地電位とするための共通接地電極157 を曲面フォトリ
ソ工程を用いて形成する。最後に、犠牲層樹脂の溶融温
度以上、例えば100℃〜150℃に加熱し、犠牲層樹
脂を完全に飛散除去し、空隙部35を形成する。最後に
駆動信号入出力用配線162 と接地側配線161 をワイヤボ
ンディングしてとりつける。
Next, the original shape of the insulating layer is cured at room temperature or light, and the outer periphery is polished to flatten the entire surface to a thickness of about 40 μm.
After that, the piezoelectric thick film element 153 and the lower electrode protrusion 159 exposed by polishing are respectively attached to the lower electrode protrusion coating electrode 160.
A metal film which is connected in a strip shape, a piezoelectric thick film element, an insulating layer sandwiched between them, and a strip-shaped metal film across the surface of the sacrifice layer, and the strip-shaped metal films are arranged at a distance of 4 kV.
A piezoelectric thick film element 15 is polarized by applying a DC voltage of approx.
Set 3 to be piezoelectrically active. Then, a common ground electrode 157 for making all of the upper electrode 156, the lower electrode protruding coating electrode 160, and the upper electrode 156 have a common ground potential is formed by using a curved photolithography process. Finally, the sacrifice layer resin is heated to a melting temperature or higher, for example, 100 ° C. to 150 ° C. to completely scatter and remove the sacrifice layer resin to form the void 35. Finally, the drive signal input / output wiring 162 and the ground side wiring 161 are attached by wire bonding.

【0067】以上の様な製法で製造した円筒外周面配列
型アレイ状マイクロ圧電振動子アレイの動作について、
図16を用いて説明する。本実施例寸法での実際の単位圧
電振動子数は128個であるが、本モデル図では64個
にしてあり、同時に8個ずつ同時に駆動している。なお
かつ同時に駆動する8個の間には正確には少しずつ駆動
時間がずれていて、8個の単位圧電振動子数からそれぞ
れ放射される振動波(超音波)の波頭は図16の様に円と
なっている。従って、これら波頭は合成されて焦点に向
かう収束振動波となる、いわゆるフェーズドアレイ振動
子となっている。この8個の一つのグループとして単位
圧電振動子一つ分ずつずらして順に周回走査させていけ
ば、いわゆるメカニカルセクタ走査と同等の振動波(超
音波)ビーム走査機能を発揮できる。しかも電子スキャ
ンなのでメカニカルセクタ走査の様な回転ムラの心配は
全くないので高分解能のロータリーエンコーダを必要と
せず、しかも360度どの方向にも、遮蔽されている圧
電振動子がないので随時希望の方向の超音波像が得られ
る。
Regarding the operation of the cylindrical outer peripheral surface array type array type micro-piezoelectric vibrator array manufactured by the above-mentioned manufacturing method,
This will be described with reference to FIG. The actual number of unit piezoelectric vibrators in the size of this embodiment is 128, but in this model diagram, the number is 64, and 8 units are simultaneously driven. In addition, the driving time is slightly deviated between the eight driving at the same time, and the wave fronts of the vibration waves (ultrasonic waves) emitted from the eight unit piezoelectric vibrators are circled as shown in FIG. Has become. Therefore, these wave fronts are so-called phased array oscillators that are combined to form a convergent oscillatory wave toward the focal point. If the unit piezoelectric vibrators are shifted by one unit as one group of these eight and are sequentially scanned, a vibration wave (ultrasonic wave) beam scanning function equivalent to so-called mechanical sector scanning can be exhibited. Moreover, since it is an electronic scan, there is no concern about uneven rotation like mechanical sector scanning, so a high-resolution rotary encoder is not required, and since there is no shielded piezoelectric vibrator in any direction of 360 degrees, the desired direction is always available. An ultrasonic image of

【0068】次に本実施例の変形例について図17を用い
て説明する。本変形例は単位圧電振動子が円筒外周面に
沿って配列している点では実施例4と同じであるが、こ
の円筒外周面が円筒軸に対し湾曲した曲面になっている
ところが異なる点であり、基板として円筒外周面が円筒
軸に対し湾曲して曲面になっている絶縁性基板を用いる
ことと絶縁層樹脂硬化後の表面平坦化が外周曲研磨によ
る点が異なり、あとは実施例4と同じである。この変形
例では超音波ビームをこの曲面により円筒軸方向に収束
させ更に横方向の分解能を向上できる効果を有す。
Next, a modified example of this embodiment will be described with reference to FIG. This modification is the same as the fourth embodiment in that the unit piezoelectric vibrators are arranged along the outer peripheral surface of the cylinder, but is different in that the outer peripheral surface of the cylinder is a curved surface curved with respect to the cylinder axis. There is a difference between the use of an insulating substrate in which the outer peripheral surface of the cylinder is curved as a curved surface with respect to the axis of the cylinder as the substrate, and the surface flattening after curing the insulating layer resin is performed by the outer peripheral curved polishing. Is the same as. This modification has the effect of converging the ultrasonic beam in the cylindrical axis direction by this curved surface and further improving the lateral resolution.

【0069】なお、更に他の変形例として実施例3の変
形例(図14)と同様に音響整合層を付設する構成も当然
想起されるものであり、同一の作用、効果が得られるこ
とはいうまでもない。
As a further modification, a structure in which an acoustic matching layer is provided as in the modification of the third embodiment (FIG. 14) is naturally conceived, and the same action and effect are not obtained. Needless to say.

【0070】(実施例5)本発明による実施例5を図1
8(A),(B)を用いて説明する。ここで、図18
(A)は上面図、図18(B)は図18のX−X線に沿う断
面図である。
(Fifth Embodiment) FIG. 1 shows a fifth embodiment according to the present invention.
This will be described with reference to 8 (A) and (B). Where Figure 18
18A is a top view, and FIG. 18B is a sectional view taken along line XX of FIG.

【0071】図中の181 は表面に表面酸化膜182 が形成
されたSi基板である。この基板181 上には、デコーダ
183 ,184 等の回路がモノリシックに集積されている。
前記基板181 上には、端部がデコーダ184 に接続される
パラジウム等の金属薄膜からなる下部ストライプ電極
(下部電極)185 を形成されている。この下部電極185
上には、圧電厚膜素子186 が形成されている。この圧電
厚膜素子186 の斜面全周に亘って厚さの均一な空隙部18
7 が形成され、その周囲の圧電厚膜素子186 の上面と面
一の上面を有する絶縁層188 が形成されている。前記圧
電厚膜素子186 の上面の全面と絶縁層188 の上面の一部
に亘って、空隙部187 を跨ぐように一体的に電気配線と
して作用するパターン化した上部電極189 が形成されて
いる。
Reference numeral 181 in the drawing denotes a Si substrate having a surface oxide film 182 formed on its surface. On this board 181, a decoder
Circuits such as 183 and 184 are monolithically integrated.
On the substrate 181, a lower stripe electrode (lower electrode) 185 made of a metal thin film such as palladium whose end is connected to the decoder 184 is formed. This lower electrode 185
A piezoelectric thick film element 186 is formed on the top. This piezoelectric thick film element 186 has voids 18 of uniform thickness over the entire circumference of the inclined surface.
7 is formed, and an insulating layer 188 having an upper surface flush with the upper surface of the piezoelectric thick film element 186 around it is formed. A patterned upper electrode 189 acting integrally as an electric wiring is formed so as to straddle the void 187 over the entire upper surface of the piezoelectric thick film element 186 and a part of the upper surface of the insulating layer 188.

【0072】こうした構成の圧電振動子二次元アレイは
次のようにして製造される。まず、表面酸化膜182 を形
成した基板181 上にデコーダ183 ,184 等の回路をモノ
リシックに集積し、下部電極185 を形成し、その上にジ
ェットプリンティング法で、底円の直径120μmφ、
高さ50〜100μmの円錐状の反強誘電体例えばジル
コン酸鉛スポット膜を形成する。噴射孔径150μmφ
ノズルを用いて、圧電体微粉末をジェットプリントす
る。これを500℃〜800℃で熱処理し、圧電体と基
板との密着性、圧電体粒子間結合力及び結晶性の向上を
図る。ついでマイクロディスペンサで融点が80℃前後
のパラフィン系樹脂で円錐状の圧電体スポット膜上に滴
下塗布する。
The piezoelectric vibrator two-dimensional array having such a configuration is manufactured as follows. First, circuits such as decoders 183 and 184 are monolithically integrated on a substrate 181 on which a surface oxide film 182 is formed, a lower electrode 185 is formed, and a bottom circle diameter of 120 μmφ is formed on the lower electrode 185 by a jet printing method.
A conical antiferroelectric material having a height of 50 to 100 μm, for example, a lead zirconate spot film is formed. Injection hole diameter 150μmφ
The nozzle is used to jet print fine piezoelectric powder. This is heat-treated at 500 ° C. to 800 ° C. to improve the adhesion between the piezoelectric body and the substrate, the bonding force between the piezoelectric body particles, and the crystallinity. Then, a paraffin resin having a melting point of about 80 ° C. is applied drop-wise onto a conical piezoelectric spot film by a microdispenser.

【0073】この時、円錐状のPZTスポット膜を基板
毎に40〜60℃に加熱しておくことが好ましい。この
上に全面にエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂液を被覆
し、室温硬化させる。硬化後、研磨によって全面平坦化
し、しかる後通常のフォトリソ工程を用いてその端部が
デコーダ回路183 に接続され、かつ研磨によって露出し
た圧電厚膜素子186 の上面部全てにかかる様にまず全面
電極を形成する。そしてこの上部全面電極と各下部電極
185 との間に直流電圧を印加して全圧電厚膜素子186 を
分極し、圧電活性とする。しかる後通常のフォトリソ工
程を用いて上部全面電極をストライプ上の上部電極189
とする。そして、最後に100℃〜140℃に加熱して
犠牲層を飛散除去し空隙層187 を形成する。
At this time, the conical PZT spot film is preferably heated to 40 to 60 ° C. for each substrate. The entire surface of this is coated with an epoxy resin or polyurethane resin liquid and cured at room temperature. After curing, the entire surface is flattened by polishing, and then the end portion is connected to the decoder circuit 183 by using a normal photolithography process, and first, the entire surface electrode is applied so as to cover the entire upper surface portion of the piezoelectric thick film element 186 exposed by polishing. To form. And this upper whole surface electrode and each lower electrode
A direct current voltage is applied between the piezoelectric element 185 and the piezoelectric element 185 to polarize all the piezoelectric thick film elements 186 to make them piezoelectrically active. Then, using a normal photolithography process, the upper entire surface electrode is formed into a stripe upper electrode 189.
And Finally, the sacrifice layer is scattered and removed by heating at 100 ° C. to 140 ° C. to form the void layer 187.

【0074】この様にして構成された単純マトリクス構
造の圧電振動子二次元アレイの動作を以下に記述する。
デコーダ184 によって下部電極185 の内一本例えば図11
のaを選択する。同様にデコーダ183 によって上部電極
189 の内一本例えば図11のbを選択する。そして、選択
したストライプ電極の一方には駆動電圧の1/2のパル
ス電圧、又、他方のストライプ電極に−1/2のパルス
電圧を印加し両ストライプ電極の交差した圧電振動子c
に丁度駆動電圧に等しいパルス電圧が加わる様にする。
これによって圧電振動子cは共振振動し、超音波を対象
物に放射する。そして、対象物からの振動応答信号が同
じ圧電振動子cに入射しストライプ電極a,bを経て出
力される。デコーダに信号を入力し、全て、又は一部の
領域の圧電振動子を順次選択し、選択位置と選択した一
対のストライプ電極間に出力される信号の相関をとるこ
とにより、対象物の機械特性の二次元分布像が得られる
ことになる。
The operation of the piezoelectric vibrator two-dimensional array having the simple matrix structure thus configured will be described below.
One of the lower electrodes 185 by the decoder 184, for example, as shown in FIG.
Of a is selected. Similarly the upper electrode by the decoder 183
One of 189, for example, b of FIG. 11 is selected. Then, a pulse voltage of 1/2 of the driving voltage is applied to one of the selected stripe electrodes, and a pulse voltage of -1/2 is applied to the other stripe electrode, and the piezoelectric vibrator c in which both stripe electrodes intersect
A pulse voltage just equal to the drive voltage is applied to.
As a result, the piezoelectric vibrator c resonates and vibrates and radiates ultrasonic waves to the object. Then, the vibration response signal from the object enters the same piezoelectric vibrator c and is output via the stripe electrodes a and b. By inputting a signal to the decoder and sequentially selecting all or part of the piezoelectric vibrators and correlating the signal output between the selected position and the selected pair of stripe electrodes, the mechanical characteristics of the object A two-dimensional distribution image of is obtained.

【0075】本実施例の構成は図11に示してあるが、必
ずしもこの構成だけにとどまることはなく、実施例3の
変形例のように圧電振動子上面に受圧部兼音響整合層を
付設することもでき、同一の作用、効果が得られること
はいうまでもない。
Although the structure of the present embodiment is shown in FIG. 11, the structure is not limited to this, and a pressure receiving portion / acoustic matching layer is additionally provided on the upper surface of the piezoelectric vibrator as in the modification of the third embodiment. It goes without saying that the same actions and effects can be obtained.

【0076】(実施例6)本発明による実施例6を図1
9に示す。なお、図18と同部材は同符号を付して説明を
省略する。図中の191 はシリコン基板であり、音響イン
ピーダンスZp 層191a,音響インピーダンスZm 層191
b,音響インピーダンスZi 層(シリコン酸化膜層)191
cからなる。前記基板191 の片面にはPd/Ti二層膜
からなる下部電極192 が、他の面は表面酸化膜層をなる
べく深く形成し、この一部を化学エッチングによって凸
状とする。更に、この凸状部材193 の上に、該凸状部材
193 に接触する側は凸状部材の音響インピーダンスZ1
とほぼ等しい値を持ち、対象物194 に接する側の音響イ
ンピーダンスZgは対象物194 の音響インピーダンスZ
oの1.2倍〜5にほぼ等しい音響インピーダンスを有
する受圧部材195 が配設されている。これが直接対象物
に接触する受圧部196 となる。
(Embodiment 6) FIG. 1 shows Embodiment 6 according to the present invention.
9 shows. The same members as those in FIG. 18 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Reference numeral 191 in the figure denotes a silicon substrate, which has an acoustic impedance Zp layer 191a and an acoustic impedance Zm layer 191.
b, acoustic impedance Zi layer (silicon oxide film layer) 191
It consists of c. A lower electrode 192 composed of a Pd / Ti bilayer film is formed on one surface of the substrate 191, and a surface oxide film layer is formed on the other surface as deep as possible, and a part thereof is made convex by chemical etching. Further, on the convex member 193, the convex member
The side that contacts 193 is the acoustic impedance Z1 of the convex member.
And the acoustic impedance Zg on the side in contact with the object 194 is approximately equal to
A pressure receiving member 195 having an acoustic impedance of 1.2 to 5 times o is provided. This becomes the pressure receiving portion 196 that directly contacts the object.

【0077】この受圧部196 は以下の様な方法で得られ
る。単体で音響インピーダンスがZl(=14×106
kg/s・m)にほぼ等しい低融点ガラス粉末例えばボ
ロシリケート鉛ガラス粉末をエポキシ、ウレタン、シリ
コーン等の樹脂溶液に重量比で20〜40%混合し、脱
泡したスラリーを凸状部材193 の上に塗布する。これを
長時間自然放置すると、低融点ガラス粉末粒子は沈降し
凸状部材193 に接した部分はガラス粉末粒子がほぼ10
0%、また対象物194 に接触する側は上記樹脂が100
%というようにガラス粉末粒子の密度が0〜100%と
変化する。この様な状態で硬化したものを600℃程度
で1分以下の短時間熱処理し、樹脂成分を飛散除去す
る。この時低融点ガラスの一部が溶融し凸状部材193 の
表面との十分な濡れが実現される。
The pressure receiving portion 196 is obtained by the following method. The acoustic impedance of Zl (= 14 × 10 6
20/40% by weight of a low melting glass powder, for example, borosilicate lead glass powder, in a resin solution of epoxy, urethane, silicone or the like, and the degassed slurry of the convex member 193 Apply on top. When this is left to stand for a long time, the low-melting-point glass powder particles settle down, and the glass powder particles in the portion in contact with the convex member 193 have about 10 particles.
0%, and the resin contacting the object 194 is 100%
%, The density of the glass powder particles changes from 0 to 100%. The resin cured in such a state is heat-treated at about 600 ° C. for a short time of 1 minute or less to scatter and remove the resin component. At this time, part of the low-melting glass is melted and sufficient wetting with the surface of the convex member 193 is realized.

【0078】また、凸状部材193 の表面から離れるに従
ってガラス粉末粒子は溶融状態から粉末粒子間の焼結状
態と変化し、粒子間空隙も増加するが粒子間結合力がな
くなる訳ではない。この様な状態のガラス膜に対し、熱
分解除去したのと同一の樹脂液を該ガラス膜の上面が完
全に埋もれるまで塗布する。この様にして得られる受圧
部材195 は凸状部材193 の表面と接している部分とその
近傍はガラス溶融膜、そこから離れるに従ってガラス粉
末粒子は粒子間焼結状態で粒子の周囲に空孔を残し、こ
の空孔領域に樹脂を充填した材質構造になる。更に離れ
るに従ってこのガラス粉末密度が低下していき、最後
に、対象物194 に接圧する表面近傍は樹脂のみとなる。
Further, as the glass powder particles are separated from the surface of the convex member 193, the glass powder particles are changed from the molten state to the sintered state between the powder particles, and the interparticle voids are increased, but the interparticle bonding force is not lost. To the glass film in such a state, the same resin solution that has been thermally decomposed and removed is applied until the upper surface of the glass film is completely buried. The pressure receiving member 195 thus obtained has a glass melt film in the portion in contact with the surface of the convex member 193 and in the vicinity thereof, and the glass powder particles form pores around the particles in the interparticle sintering state as they are separated from the film. Remaining, the material structure is obtained by filling the void area with resin. The glass powder density decreases with increasing distance, and finally, the vicinity of the surface contacting the object 194 is only resin.

【0079】樹脂100の部材が表面に露出した構造に
すると、例えば対象物194 が生体の時音響接合層との間
に振幅インピーダンス整合が起こり、対象物194 の表面
からの振動応答(反作用力)が得られなく、対象物の表
面の機械的特性を検出できなくなってしまう。そこで表
面から研磨していき、対象物194 の音響インピーダンス
Zoの1.2倍〜3倍になったところで研磨を停止す
る。従って、基板191 は下部電極192 を形成した側のZ
p 191aと反対側の面で凸状部材193 としているZi 層19
1c、及びその中間のZm 層191bの三層からなっている。
When the member of the resin 100 is exposed on the surface, for example, when the object 194 is a living body, amplitude impedance matching occurs with the acoustic bonding layer, and the vibration response (reaction force) from the surface of the object 194. Cannot be obtained, and the mechanical properties of the surface of the object cannot be detected. Therefore, polishing is continued from the surface, and when the acoustic impedance Zo of the object 194 reaches 1.2 to 3 times, the polishing is stopped. Therefore, the substrate 191 is the Z side on which the lower electrode 192 is formed.
Zi layer 19 having convex member 193 on the surface opposite to p 191a
1c and a Zm layer 191b in the middle thereof.

【0080】従って、音響インピーダンスも層毎に異な
る値を示す。前記Zp 層191cはアモルファスであり、そ
の音響インピーダンスは約15×106 Kg/s・mで
ある。一方、圧電体のそれは例えばPZTで35×10
6 Kg/s・mである。シリコンは圧電体の音響インピ
ーダンスに近いので、圧電厚膜素子186 から受圧部196
までほぼ連続的に音響インピーダンスが変化する。ま
た、シリコンもシリコン酸化膜もともに振動効率Qmは
非常に大きく、圧電厚膜素子186 によって励起された振
動は殆どロスなく受圧部端面まで到達する。下部電極19
2 側にはジェットプリンティング法による圧電厚膜成
膜、熱処理、犠牲層形成、絶縁層188 の形成、研磨によ
る表面平坦化、上部電極189 の形成、分極、上部電極18
9 のパターン化、犠牲層除去による空隙部187 の形成と
いうこれまでの実施例と同様の工程を経ることによって
圧電厚膜素子186 、空隙部187 、絶縁層188 が共に形成
される。次に、本実施例6の作用、効果について記述す
る。
Therefore, the acoustic impedance also shows different values for each layer. The Zp layer 191c is amorphous and its acoustic impedance is about 15 × 10 6 Kg / s · m. On the other hand, the piezoelectric material is, for example, PZT 35 × 10.
It is 6 Kg / s · m. Since silicon is close to the acoustic impedance of the piezoelectric body, the piezoelectric thick film element 186 can be connected to the pressure receiving portion 196.
The acoustic impedance changes almost continuously until. Further, both the silicon and the silicon oxide film have a very high vibration efficiency Qm, and the vibration excited by the piezoelectric thick film element 186 reaches the end surface of the pressure receiving portion with almost no loss. Lower electrode 19
On the second side, a piezoelectric thick film is formed by jet printing, heat treatment, sacrifice layer formation, insulation layer 188 formation, surface flattening by polishing, upper electrode 189 formation, polarization, upper electrode 18
The piezoelectric thick film element 186, the void portion 187, and the insulating layer 188 are formed together by performing the same steps as those in the above-described embodiments of patterning 9 and forming the void portion 187 by removing the sacrificial layer. Next, the operation and effect of the sixth embodiment will be described.

【0081】(作用)圧電厚膜素子に励起された超音波
振動は、圧電圧電素子186 と音響インピーダンスが等し
いZp層191aと、Zpから連続的に変化し平均でZmを
有するZm層191bとZmから連続的に変化する受圧部19
6 と同じ音響インピーダンスZlを有するZi層191cが
厚み方向に連続的に分布した基板を伝搬していく。これ
らの具体的な材質としてはZp層191aとしてシリコン単
結晶部、音響インピーダンスZlを有するZi層191cと
してアモルファスシリコン酸化膜で、Zmを有するZm
層191bは酸化が不十分な小さいシリコン基板191 内に殆
どロスなく入射する。
(Operation) The ultrasonic vibration excited in the piezoelectric thick film element is the Zp layer 191a having the same acoustic impedance as the piezoelectric piezoelectric element 186, and the Zm layers 191b and Zm having the average Zm continuously changing from Zp. Pressure receiving part 19 that changes continuously from
The Zi layer 191c having the same acoustic impedance Z1 as that of 6 propagates through the substrate continuously distributed in the thickness direction. Specific examples of these materials include a silicon single crystal part as the Zp layer 191a, an amorphous silicon oxide film as the Zi layer 191c having an acoustic impedance Zl, and a Zm layer having Zm.
The layer 191b impinges on the small, insufficiently oxidized silicon substrate 191 with little loss.

【0082】この入射超音波は基板内を伝搬し、凸状部
材193 に到達する。この凸状部材193 の表面に連続的に
音響インピーダンスが変化し、対象物194 との接圧面で
は対象物194 の音響インピーダンスの1.2〜3倍の値
となっている。従って、対象物194 が接圧していない状
態では超音波は受圧部内面で100%近く反射するの
で、圧電厚膜素子186 と基板の合計厚みと平均的な弾性
定数に対応した周波数で共振し、エコー信号に対応する
応答信号はない。また対象物が接圧している時は対象物
の音響インピーダンスをZoとすると、|Zo−Zc|
/|Zo+Zc|の比率で対象物194 と受圧部196 の界
面で反射する。今Zc=3Zoとすると、反射率は50
%となり、超音波エネルギーの1/2は対象物内に伝搬
していく。そして、対象物194 の断層に音響インピーダ
ンスが異なる異物があるとその境界面で反射し、受圧部
196 にその1/2が入射する。従って、対象物194 に音
響ロスがなければ圧電厚膜素子186 で発生させた超音波
エネルギーの1/4の超音波エネルギーがエコー信号と
して圧電振動子に入射する。実際には超音波の対象物内
での伝搬ロスが大きいのでエコー信号として圧電振動子
に入射する超音波エネルギーは非常に小さくなる。一
方、反射率を小さくしてエコー信号のエネルギーを増や
そうとすると、受圧部196 が受ける対象物からの反作用
力が小さくなってしまい対象物の表面の機械的特性の検
出感度が極めて小さくなってしまう。
This incident ultrasonic wave propagates through the substrate and reaches the convex member 193. The acoustic impedance changes continuously on the surface of the convex member 193, and the pressure contact surface with the object 194 is 1.2 to 3 times the acoustic impedance of the object 194. Therefore, in a state where the object 194 is not in contact with pressure, ultrasonic waves are reflected on the inner surface of the pressure receiving portion by nearly 100%, and thus resonate at a frequency corresponding to the total thickness of the piezoelectric thick film element 186 and the substrate and the average elastic constant, There is no response signal corresponding to the echo signal. If the acoustic impedance of the object is Zo when the object is in contact with pressure, | Zo-Zc |
The light is reflected at the interface between the object 194 and the pressure receiving portion 196 at a ratio of / | Zo + Zc |. If Zc = 3Zo, the reflectance is 50.
%, And half of the ultrasonic energy propagates in the object. If there is a foreign object with a different acoustic impedance on the fault of the object 194, it will be reflected at the boundary surface and
Half of that is incident on 196. Therefore, if there is no acoustic loss in the object 194, 1/4 of the ultrasonic energy generated by the piezoelectric thick film element 186 enters the piezoelectric vibrator as an echo signal. Actually, since the propagation loss of ultrasonic waves in the object is large, the ultrasonic energy that is incident on the piezoelectric vibrator as an echo signal is extremely small. On the other hand, if an attempt is made to reduce the reflectance and increase the energy of the echo signal, the reaction force from the object received by the pressure receiving section 196 becomes small and the detection sensitivity of the mechanical characteristics of the surface of the object becomes extremely small. .

【0083】また、Zc=1.2Zoとすると、反射率
は10%となり、超音波エネルギーの90%は対象物内
に伝搬していき10%が定在波形成に寄与する。反射率
は10%程度でも圧電厚膜素子189 、Zp層191a、Zm
層191b、凸状部材193 とも超音波に対する伝搬ロスが小
さいので、圧電厚膜素子186 の機能を発揮できる。しか
し、これより小さいと対象物の接圧による圧電厚膜素子
186 の共振周波数や共振抵抗の変化は殆ど検知されなく
なる。そこで、受圧部196 と対象物194 の界面の超音波
反射率が0.5〜0.1の範囲になるような受圧部材質
を選択し、且つ、中間層の音響インピーダンスがシリコ
ン単結晶の音響インピーダンスZpから受圧部材質の音
響インピーダンスZlまで連続的に変化する材質を用い
るようにする。
When Zc = 1.2Zo, the reflectance is 10%, 90% of the ultrasonic energy propagates into the object, and 10% contributes to the formation of standing waves. Even if the reflectance is about 10%, the piezoelectric thick film element 189, Zp layer 191a, Zm
Since both the layer 191b and the convex member 193 have small propagation loss with respect to ultrasonic waves, the function of the piezoelectric thick film element 186 can be exhibited. However, if smaller than this, the piezoelectric thick film element due to the contact pressure of the target object
Changes in the resonant frequency and resonant resistance of the 186 are hardly detected. Therefore, a pressure-receiving member material is selected so that the ultrasonic reflectance at the interface between the pressure-receiving portion 196 and the object 194 is in the range of 0.5 to 0.1, and the acoustic impedance of the intermediate layer is silicon single crystal. A material that continuously changes from the impedance Zp to the acoustic impedance Zl of the pressure receiving member is used.

【0084】(効果)以上記載した構成、作用により、
同一の圧電厚膜素子を用いて圧電厚膜素子の対象物表面
による振動応答と、対象物内部の音響的インピーダンス
の不連続境界面からのエコー信号を時系列的に検出、解
析し、対象物の表面と内部の機械特性を検出するという
目的を達成できる様になる。
(Effect) With the above-described structure and operation,
Using the same piezoelectric thick film element, the vibration response of the piezoelectric thick film element on the surface of the object and the echo signal from the discontinuous boundary surface of the acoustic impedance inside the object are detected and analyzed in a time series. It is possible to achieve the purpose of detecting the mechanical properties of the surface and the inside.

【0085】以上説明した各実施例には、以下の発明が
含まれている。 1. [構成]厚み縦振動の共振特性を用いたマイクロ圧電振
動子において、表面に下部電極を施した基板と、前記下
部電極上に形成され、その断面形状が台形状で厚み方向
に分極状態にある圧電厚膜素子と、この圧電厚膜素子の
側壁に対し空隙部を隔てて包囲するように形成するとと
もに前記基板に対し略平行な面を有して形成された絶縁
層と、前記圧電厚膜素子の上面と前記絶縁層の表面に一
体的に配設された上部電極を具備したことを特徴とする
マイクロ圧電振動子。
Each of the embodiments described above includes the following inventions. 1. [Configuration] In a micro-piezoelectric vibrator using resonance characteristics of thickness longitudinal vibration, a substrate having a lower electrode on its surface and a substrate formed on the lower electrode and having a trapezoidal cross section and being polarized in the thickness direction A piezoelectric thick film element, an insulating layer formed to surround a side wall of the piezoelectric thick film element with a gap therebetween and having a surface substantially parallel to the substrate, and the piezoelectric thick film. A micro-piezoelectric vibrator comprising an upper electrode integrally provided on an upper surface of an element and a surface of the insulating layer.

【0086】実施例1が対応する。尚、本発明で用いて
いる台形とは、円錐,楕円錐,四角錐,三角錐の様な立
体構造をそれらの底面に平行にスライスした面を上面に
した台錐形を簡略化して表現している。
Example 1 corresponds. The trapezoid used in the present invention is a simplified representation of a trapezoid having a top surface with a plane obtained by slicing a three-dimensional structure such as a cone, an elliptic cone, a quadrangular pyramid, or a triangular pyramid in parallel with the bottom surface thereof. ing.

【0087】[作用]圧電厚膜素子が台形状なので厚さ
方向の共振振動は上面と下面の間の距離がその距離に対
応した周波数で共振する。拡がり振動は圧電厚膜素子の
厚み方向に垂直な断面の断面寸法が全厚さに亘り一定で
はないので共振周波数が広く分布し、また、共振の先鋭
度(=機械的品質係数Qm)も小さくなるので、相対的
に厚み縦振動のみが励起されているとみなせる様にな
り、安定した厚み縦振動がおこる。更に、圧電厚膜素子
と絶縁層の間に圧電厚膜素子の側壁を包囲するように形
成した空洞部が形成されているので、圧電厚膜素子の振
動がダンピングされることがない。
[Operation] Since the piezoelectric thick film element has a trapezoidal shape, resonant vibration in the thickness direction resonates at a frequency at which the distance between the upper surface and the lower surface corresponds to the distance. In the spreading vibration, since the cross-sectional dimension of the cross section perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric thick film element is not constant over the entire thickness, the resonance frequency is widely distributed, and the sharpness of resonance (= mechanical quality factor Qm) is also small. Therefore, it can be considered that only the thickness longitudinal vibration is excited, and stable thickness longitudinal vibration occurs. Further, since the cavity formed so as to surround the side wall of the piezoelectric thick film element is formed between the piezoelectric thick film element and the insulating layer, the vibration of the piezoelectric thick film element is not damped.

【0088】[効果]以上の様に厚み振動のみが効率良
く励起され共振先鋭度が高くなっているのでセンサとし
ての感度が良くなる。また、電極は全面に形成されてい
るので無駄な領域がなく、エネルギー閉め込め電極に比
べ比較的電極面積を大きくできるので、静電容量を大き
くとれセンサのS/Nが良くなる。更に、空隙部がある
ため圧電振動子の振動がダンピングされないので大きな
Qmが得られ、センサとしての感度が良くなる。
[Effect] As described above, since only the thickness vibration is efficiently excited and the resonance sharpness is increased, the sensitivity of the sensor is improved. Further, since the electrodes are formed on the entire surface, there is no useless area, and the electrode area can be made relatively large compared to the energy confining electrode, so that the capacitance can be increased and the S / N of the sensor can be improved. Furthermore, since there is a void, the vibration of the piezoelectric vibrator is not damped, so a large Qm is obtained, and the sensitivity as a sensor is improved.

【0089】2. [構成]前記第1項に記載したマイクロ圧電振動子にお
いて、前記上部電極が前記圧電厚膜素子の上面全面に形
成された全面電極部と該全面電極と一体的に形成され、
該全面電極の少なくとも一カ所から引き出されたパター
ン状配線とからなることを特徴とするマイクロ圧電振動
子。実施例1が該当する。
2. [Structure] In the micro-piezoelectric vibrator according to the first aspect, the upper electrode is integrally formed with a full-surface electrode portion formed on the entire upper surface of the piezoelectric thick film element,
A micro-piezoelectric vibrator, comprising: a patterned wiring that is drawn out from at least one location of the entire surface electrode. Example 1 is applicable.

【0090】[作用]圧電厚膜素子の上面に電極が全面
に形成されているので、エネルギー閉じ込め振動子の様
に電極を形成しない領域を必要としない。また配線はパ
ターン化されているので配置、形状の自由度が大きくな
る。
[Function] Since the electrodes are formed on the entire upper surface of the piezoelectric thick film element, a region where no electrodes are formed unlike the energy confinement oscillator is not required. Moreover, since the wiring is patterned, the degree of freedom in arrangement and shape is increased.

【0091】[効果]配線を含めた圧電振動子の寸法を
小さくすることができる。また、配線の配置、形状の自
由度が大きいので種々の圧電センサへの応用が可能にな
る。
[Effect] The size of the piezoelectric vibrator including the wiring can be reduced. Further, since the wiring has a large degree of freedom in arrangement and shape, it can be applied to various piezoelectric sensors.

【0092】3. [構成]前記第2項に記載したマイクロ圧電振動子にお
いて、前記全面電極と前記パターン状配線の前記基板表
面からのそれぞれの高さが等しいことを特徴としたマイ
クロ圧電振動子。実施例1が該当する。
3. [Structure] The micro-piezoelectric vibrator according to the above-mentioned item 2, wherein the heights of the entire surface electrode and the patterned wiring from the surface of the substrate are equal to each other. Example 1 is applicable.

【0093】[作用]圧電厚膜素子の上面と絶縁層の上
面の高さが等しくなるように加工し、上部電極は一体的
に配設されているので電極の段差がない。
[Operation] Since the upper surface of the piezoelectric thick film element and the upper surface of the insulating layer are processed to have the same height, and the upper electrode is integrally arranged, there is no step between the electrodes.

【0094】[効果]段差がないので下部電極と上部電
極段差部との間で電界集中が起こる事が防げるので、圧
電振動子としての機械的品質係数Qmが大きく信頼性の
高い圧電振動子が得られる。
[Effect] Since there is no step, it is possible to prevent electric field concentration between the lower electrode and the step portion of the upper electrode. Therefore, a piezoelectric vibrator having a large mechanical quality factor Qm and a high reliability can be obtained. can get.

【0095】4. [構成]前記第1項に記載した台形状で厚み方向に分極
処理された圧電厚膜素子が、該圧電厚膜素子の厚み方向
に対し垂直な方向の断面が円形または楕円形をしている
ことを特徴としたマイクロ圧電振動子。実施例1が対応
する。
4. [Structure] The trapezoidal piezoelectric thick film element described in the above paragraph 1 and polarized in the thickness direction has a circular or elliptical cross section in a direction perpendicular to the thickness direction of the piezoelectric thick film element. A micro piezoelectric vibrator characterized in that Example 1 corresponds.

【0096】[作用]上部全面電極の形状も円形または
楕円形となる。また、台形の斜面に稜線がないので、圧
電厚膜素子の方が側壁を包囲するように形成した空洞部
の肉厚が一定になる。更に、円形より楕円形の方が半径
が決まらないので、拡がり振動が一層抑圧される。
[Operation] The shape of the upper entire surface electrode is also circular or elliptical. Further, since there is no ridgeline on the slope of the trapezoid, the piezoelectric thick film element has a uniform thickness of the cavity formed so as to surround the side wall. Further, since the radius of the elliptical shape is not determined as compared with the circular shape, the spreading vibration is further suppressed.

【0097】[効果]空隙部の構造や圧電厚膜素子その
ものの構造が単純になり、圧電厚膜素子斜面と絶縁層斜
面間のこすれが起こらないので信頼性が向上し、また製
造が容易となり、製造コストも安くなる。また、拡がり
振動が更に励起されにくい楕円形状にすることによって
圧電振動子の厚み縦振動の振動効率(Qm)が更に向上
し、感度の向上や、センサとしての信頼性も向上する。
[Effect] The structure of the void portion and the structure of the piezoelectric thick film element itself are simplified, and rubbing between the slope of the piezoelectric thick film element and the slope of the insulating layer does not occur, thus improving reliability and facilitating manufacturing. , The manufacturing cost is also reduced. In addition, the vibration efficiency (Qm) of the thickness longitudinal vibration of the piezoelectric vibrator is further improved by making the elliptical shape in which the spreading vibration is less likely to be excited, the sensitivity is improved, and the reliability as a sensor is also improved.

【0098】5. [構成]前記第3項に記載したマイクロ圧電振動子を基
本構造に有するマイクロ圧電センサにおいて、該マイク
ロ圧電センサの構造が、前記第1項に記載した前記圧電
素子の上面の一部と前記絶縁層の上面の一部の両者に跨
る様に配設した上部電極を有することを特徴としたマイ
クロ圧電センサ。実施例1が対応する。
5. [Structure] In the micro-piezoelectric sensor having the micro-piezoelectric vibrator described in the above item 3 as a basic structure, the structure of the micro-piezoelectric sensor is such that a part of the upper surface of the piezoelectric element described in the above item 1 A micro-piezoelectric sensor having an upper electrode disposed so as to extend over both of a part of the upper surface of the layer. Example 1 corresponds.

【0099】[作用]圧電厚膜素子の上面と絶縁層の上
面は平坦化処理によって基板に対して同じ高さになって
いるので形成した上部電極は段差を持たず、上下電極間
距離が均一となり、電界集中が起こらないので分極状態
が素子内で均一となるし、駆動電界による不均一な圧電
動作や絶縁破壊が起こらなくなる。
[Operation] Since the upper surface of the piezoelectric thick film element and the upper surface of the insulating layer have the same height with respect to the substrate by the flattening process, the formed upper electrode has no step and the distance between the upper and lower electrodes is uniform. Since electric field concentration does not occur, the polarization state becomes uniform in the element, and non-uniform piezoelectric operation or dielectric breakdown due to the driving electric field does not occur.

【0100】[効果]圧電厚膜素子や分極時、駆動時い
ずれにおいても電界集中が起こらず、均一な圧電特性が
得られ、安定で信頼性の高い圧電振動子動作が実現でき
る。
[Effects] Electric field concentration does not occur during the piezoelectric thick film element, polarization, and driving, and uniform piezoelectric characteristics are obtained, and stable and highly reliable piezoelectric vibrator operation can be realized.

【0101】6. [構成]前記第1項に記載した、マイクロ圧電振動子を
複数アレイ状に配列し、各絶縁層、各基板及び各上部電
極を互いに一体に形成し、且つ、各下部電極は互いに分
離、絶縁されて配置してなることを特徴とするアレイ型
マイクロ圧電振動子。
6. [Structure] The plurality of micro-piezoelectric vibrators described in the above item 1 are arranged in an array, and each insulating layer, each substrate and each upper electrode are integrally formed with each other, and each lower electrode is separated and insulated from each other. An array-type micro-piezoelectric vibrator, which is characterized in that it is arranged.

【0102】実施例2が対応する。アレイ状とは線状
(実施例2)、面状(実施例3)、円筒状(実施例4)
を提案しているが、アレイ形状はこれに限らず球面状、
十字架状、櫓状でも空隙部を周囲に配した圧電厚膜素子
が配列できる形状であれば上記アレイ形状に限定される
ものではない。
The second embodiment corresponds. Array-like means linear (Example 2), planar (Example 3), cylindrical (Example 4)
However, the array shape is not limited to this, but a spherical shape,
The shape is not limited to the above-mentioned array shape even if it is a cross shape or a turret shape, as long as the piezoelectric thick film elements around which voids are arranged can be arranged.

【0103】[作用]アレイ状に配設した各位置の単位
の圧電振動子が対象物に接した時の共振周波数変化や共
振抵抗変化を独立に検出できる。これらの信号と圧電振
動子の位置との対応をつける。また、対象物に接触した
時の振動応答の中からエコー信号を取り出し、解析する
こともできる。更に、各単位の振動子はそれぞれ周囲を
包囲するように絶縁層が配置されているので、クロスト
ークが防止されるとともに、対象物が振動子に接したと
きに過剰の力が振動子に加わることが防止される。
[Operation] It is possible to independently detect a change in resonance frequency and a change in resonance resistance when the piezoelectric vibrators at respective positions arranged in an array contact an object. Correspondence between these signals and the position of the piezoelectric vibrator is established. It is also possible to extract and analyze an echo signal from the vibration response when the object is touched. Further, since the insulating layer is arranged so as to surround the perimeter of each unit, crosstalk is prevented and excessive force is applied to the unit when an object contacts the unit. Is prevented.

【0104】[効果]各位置の圧電振動子の共振周波数
や共振抵抗の変化を検出し、これらの信号と圧電振動子
の位置との相関をとることにより、アレイ形状に対応し
た対象物の特性分布がわかるようになる。また、各振動
子間のクロストローク防止と外力による振動子の破壊が
防止できる。
[Effect] By detecting changes in the resonance frequency and resonance resistance of the piezoelectric vibrator at each position and correlating these signals with the position of the piezoelectric vibrator, the characteristics of the object corresponding to the array shape can be obtained. The distribution will be understood. Further, it is possible to prevent the cross stroke between the vibrators and prevent the vibrators from being broken by an external force.

【0105】7. [構成]前記第6項に記載したアレイ型マイクロ圧電振
動子において、前記各マイクロ圧電振動子の下部電極ご
とに前記絶縁層を貫通する下部電極突起を有することを
特徴とするアレイ型マイクロ圧電振動子。
7. [Structure] The array-type micro-piezoelectric vibrator according to the sixth aspect, wherein each of the lower-electrodes of the micro-piezoelectric vibrator has a lower electrode protrusion penetrating the insulating layer. Child.

【0106】[作用]絶縁層を貫通して設けられた下部
電極突起を介して下部電極が電気的に導通される。
[Operation] The lower electrode is electrically connected through the lower electrode protrusion provided through the insulating layer.

【0107】[効果]下部電極に対して導通をとるため
の下部電極突起が、予め絶縁層の表面に露出するように
設けられているので、配線作業が容易であり、下部電極
に対する電圧の印加を確実に行うことができる。
[Effect] Since the lower electrode projection for establishing conduction with the lower electrode is provided so as to be exposed on the surface of the insulating layer in advance, the wiring work is easy and the voltage application to the lower electrode is performed. Can be reliably performed.

【0108】8. [構成]前記第6項に記載したアレイ型マイクロ圧電振
動子において、前記アレイ状の複数配列が直線状である
ことを特徴とするアレイ型マイクロ圧電振動子。
8. [Structure] The array-type micro-piezoelectric vibrator according to the sixth aspect, wherein the plurality of array-like arrays are linear.

【0109】実施例2が対応する。また、個々の圧電厚
膜素子の形状は実施例2では縦横比の大きな方形をして
いるが、円錐台形、正方形台形でも構わない。 [作用]線状に並んだ圧電振動子の各々の共振周波数と
共振抵抗の差は、対象物の弾性的特性の線方向分布に対
応する。圧電振動子が台形だし、その周囲に空隙があ
り、圧電振動子間クロストールが小さい。
The second embodiment corresponds. Further, although the shape of each piezoelectric thick film element is a square having a large aspect ratio in the second embodiment, it may be a truncated cone or a square trapezoid. [Operation] The difference between the resonance frequency and the resonance resistance of each of the piezoelectric vibrators arranged in a line corresponds to the linear distribution of the elastic characteristics of the object. The piezoelectric vibrator has a trapezoidal shape, and there are voids around it, and the cross stall between piezoelectric vibrators is small.

【0110】[効果]線状に並んだ圧電振動子の各々の
振動周波数と共振抵抗と圧電振動子の位置との関係から
対象物の弾性的特性の線方向分布がわかる。また、これ
を圧電振動子の配列方向に対し垂直方向に走査すること
によって面情報が得られる様になる。クロストークが小
さいので横方向分解能に優れた対象物の弾性特性分布像
が得られる。
[Effect] The linear distribution of the elastic characteristics of the object can be known from the relationship between the vibration frequency of each of the piezoelectric vibrators arranged linearly, the resonance resistance, and the position of the piezoelectric vibrator. Further, by scanning this in the direction perpendicular to the arrangement direction of the piezoelectric vibrators, surface information can be obtained. Since the crosstalk is small, an elastic property distribution image of the object having excellent lateral resolution can be obtained.

【0111】9. [構成]前記第6項に記載したアレイ型圧電トランスデ
ューサにおいて、前記アレイ状の複数配列が円筒外周面
に沿って配置した構造を有することを特徴としたアレイ
型圧電トランスデューサ。実施例3が対応する。
9. [Structure] The array-type piezoelectric transducer described in the item 6, wherein the plurality of array-shaped arrays are arranged along the outer peripheral surface of the cylinder. Example 3 corresponds.

【0112】[作用]圧電振動子の振動方向はラジアル
方向であり、水等の超音波伝搬媒体を介在して円筒状に
対象物に対面接触できる。複数の短冊状圧電振動子を順
次動作させ振動放射ビーム即ち超音波ビームをラジアル
スキャンする。
[Operation] The vibration direction of the piezoelectric vibrator is the radial direction, and it is possible to make a cylindrical face-to-face contact with an object through an ultrasonic wave propagation medium such as water. A plurality of strip-shaped piezoelectric vibrators are sequentially operated to radially scan the vibration radiation beam, that is, the ultrasonic beam.

【0113】[効果]体腔内の様な管状構造体内壁の超
音波断層像が得られる。各振動子は断面形状が台形だ
し、その周囲に空隙があるので各振動子間クロストーク
が小さく高分解能の断層像が得られる。
[Effect] An ultrasonic tomographic image of the inner wall of the tubular structure such as inside the body cavity can be obtained. Since each transducer has a trapezoidal cross section and a void around it, crosstalk between the transducers is small and a high-resolution tomographic image can be obtained.

【0114】10. [構成]前記第6項に記載したアレイ型圧電トランスデ
ューサにおいて、前記アレイ状の複数配列が2次元平面
であることを特徴としたアレイ型圧電トランスデュー
サ。実施例4が対応する。
10. [Structure] The array-type piezoelectric transducer described in the above item 6, wherein the plurality of array-like arrays are two-dimensional planes. Example 4 corresponds.

【0115】各々の圧電振動子の形状は、楕円、方形の
いずれでも構わない。下部電極と上部電極はともにスト
ライプ状で圧電厚膜を隔てて互いに直交して配設してあ
る。また、下部電極、上部電極共に基板に一体的に形成
されたデコーダに接続されている。
The shape of each piezoelectric vibrator may be an ellipse or a square. Both the lower electrode and the upper electrode are stripe-shaped and are arranged orthogonally to each other with a piezoelectric thick film interposed therebetween. Further, both the lower electrode and the upper electrode are connected to the decoder integrally formed on the substrate.

【0116】[作用]圧電トランスデューサが2次元平
面状に複数配列されていて面内に配列された複数の圧電
振動子の内の一つずつ順次にまたは複数同時に駆動でき
る。
[Operation] A plurality of piezoelectric transducers are arranged in a two-dimensional plane, and one of the plurality of piezoelectric vibrators arranged in the plane can be driven sequentially or simultaneously.

【0117】[効果]2次元平面状に複数配列された圧
電振動子の各々が断面構造が台形で、しかもその周囲に
空隙が配設されているので、各圧電振動子間のクロスト
ークが小さく面方向分解能に優れた対象物の弾性特性の
面分布が測定できる。また、水等の超音波伝搬媒体を介
して対象物に圧電振動子が放射する振動波(超音波)を
入射させそのエコー信号を解析して対象物の面分布断層
像を得ることが可能になる。
[Effect] Each of the plurality of piezoelectric vibrators arranged in a two-dimensional plane has a trapezoidal sectional structure and a void is arranged around the trapezoidal structure, so that crosstalk between the piezoelectric vibrators is small. It is possible to measure the surface distribution of the elastic properties of the object with excellent surface resolution. It is also possible to obtain a surface distribution tomographic image of an object by injecting an oscillating wave (ultrasonic wave) emitted by a piezoelectric vibrator into the object via an ultrasonic wave propagation medium such as water and analyzing the echo signal. Become.

【0118】11. [構成]前記第8項に記載したアレイ型圧電トランスデ
ューサにおいて、円筒外周面が円筒軸に対して湾曲した
構造になっていることを特徴としたアレイ型圧電トラン
スデューサ。実施例3の変形例が対応する。
11. [Structure] The array type piezoelectric transducer described in the above item 8, wherein an outer peripheral surface of the cylinder has a structure curved with respect to a cylinder axis. A modified example of the third embodiment corresponds.

【0119】[作用]圧電振動子から放射された振動波
(超音波)は湾曲した曲率に応じて収束する。
[Operation] The vibration wave (ultrasonic wave) radiated from the piezoelectric vibrator converges according to the curved curvature.

【0120】[効果]したがって、円筒の軸方向の分解
能が向上する。また、各圧電振動子はその段面形状台形
なので前記第9項と同様な効果が得られる。
[Effect] Therefore, the resolution in the axial direction of the cylinder is improved. Further, since each piezoelectric vibrator has a trapezoidal trapezoidal shape, the same effect as that of the above item 9 can be obtained.

【0121】12. [構成]前記第5項に記載したマイクロ圧電センサにお
いて、圧電素子上面部に受圧部を配設した構造を有する
ことを特徴としたマイクロ圧電センサ。実施例2が該当
する。実施例1に記載したマイクロ圧電振動子の圧電素
子上面部に受圧部を構成されている。
12. [Structure] The micro-piezoelectric sensor described in the fifth item, wherein the micro-piezoelectric sensor has a structure in which a pressure receiving portion is provided on an upper surface of the piezoelectric element. Example 2 is applicable. The pressure receiving portion is formed on the top surface of the piezoelectric element of the micro-piezoelectric vibrator described in the first embodiment.

【0122】[作用]受圧部が正確に対象物に接圧でき
る。 [効果]対象物の機械的特性を高精度に検出できる。
[Operation] The pressure receiving portion can accurately contact the object. [Effect] The mechanical characteristics of the object can be detected with high accuracy.

【0123】13. [構成]前記第11項に記載したマイクロ圧電センサに
おいて、前記受圧部がその面に厚さ方向に貫通した微細
孔と概微細孔を充填する充填部材を有することを特徴と
したマイクロ圧電センサ。第2実施例が該当する。
13. [Structure] The micro-piezoelectric sensor according to item 11, wherein the pressure receiving portion has a filling member that fills the surface thereof with a fine hole penetrating in the thickness direction and a substantially fine hole. The second embodiment is applicable.

【0124】[作用]受圧部を形成するにあたり、犠牲
層材料の飛散する通路となり、また最後に飛散する犠牲
層材料は概微細孔を通過しきれず充填部材として微細孔
にとどまる。
[Operation] When forming the pressure receiving portion, the sacrificial layer material serves as a path for scattering the sacrificial layer material, and the sacrificial layer material for the final scattering does not pass through the substantially minute holes and remains in the minute holes as a filling member.

【0125】[効果]微細孔は犠牲層が飛散する時の通
路となる為に必要で、また微細孔が充填材によって閉じ
ているので湿気等が空隙部に入り込む事がなく対環境性
に優れたマイクロ圧電センサが実現できる様になる。
[Effect] The fine pores are necessary because they serve as passages when the sacrificial layer scatters, and since the fine pores are closed by the filling material, moisture and the like do not enter the voids and are excellent in environmental resistance. Micro piezoelectric sensor can be realized.

【0126】14. [構成]前記第1項に記載したマイクロ圧電振動子の製
造方法において、前記圧電厚膜素子の形成工程が、前記
下部電極を表面に有する基板上にジェットプリンティン
グにより圧電厚膜パターンを形成する工程と、この圧電
厚膜パターンを熱処理する工程と、熱処理した圧電厚膜
パターンの上面を平坦化する上面平坦化工程と、前記圧
電厚膜パターンの上面平坦化部に上部電極を形成する上
部電極形成工程と、を有することを特徴するマイクロ圧
電振動子の製造方法。
14. [Structure] In the method for manufacturing a micro-piezoelectric vibrator described in the above item 1, the step of forming the piezoelectric thick film element includes a step of forming a piezoelectric thick film pattern on a substrate having the lower electrode on a surface by jet printing. And a step of heat-treating the piezoelectric thick film pattern, an upper surface flattening step of flattening an upper surface of the heat-treated piezoelectric thick film pattern, and an upper electrode formation of forming an upper electrode on an upper surface flattening portion of the piezoelectric thick film pattern. A method of manufacturing a micro-piezoelectric vibrator, comprising:

【0127】全実施例が対応する。 [作用]ジェットプリンティングにより形成された圧電
厚膜パターン、断面が図2のように下部が上部より広が
った山形になり、これに上面平坦化工程によって上面平
坦化部が形成されるので、圧電厚膜素子の断面形状は図
6に示すように容易に台形に形成されることになる。
All examples correspond. [Operation] A piezoelectric thick film pattern formed by jet printing, the cross section has a mountain shape in which the lower part is wider than the upper part as shown in FIG. 2, and the upper surface flattening step is formed on the mountain shape. The cross-sectional shape of the film element is easily formed into a trapezoid as shown in FIG.

【0128】[効果]安定した厚み縦振動が得られる断
面が台形形状をした圧電厚膜素子が容易に形成できる。
[Effect] It is possible to easily form a piezoelectric thick film element having a trapezoidal cross section, which provides stable thickness longitudinal vibration.

【0129】15. [構成]前記第14項に記載したマイクロ圧電振動子の
製造方法において、前記熱処理工程後の圧電厚膜パター
ンの全面を所定の厚みで溶融性樹脂で被覆する犠牲層形
成工程と、前記犠牲層と前記基板を絶縁材料で被覆する
絶縁層形成工程と、前記上面平坦化工程は、前記絶縁
層、犠牲層及び圧電厚膜パターンの上部を基板にほぼ平
行に研磨または研削して除去して平坦面を形成する工程
であり、前記上部電極形成工程は、上記圧電厚膜パター
ン、犠牲層及び絶縁層の平坦面に跨がって電極膜を形成
する工程であり、さらに、前記上部電極と下部電極との
間に直流電圧を印加して電極間方向すなわち圧電厚膜素
子の厚み方向の分極状態を形成する分極形成工程と、前
記上部電極が形成された後に前記犠牲層を溶融除去して
空隙部を形成する犠牲層除去工程と、を有することを特
徴とするマイクロ圧電振動子の製造方法。
15. [Structure] In the method for manufacturing a micro-piezoelectric vibrator described in the paragraph 14, the sacrificial layer forming step of covering the entire surface of the piezoelectric thick film pattern after the heat treatment step with a meltable resin with a predetermined thickness, and the sacrificial layer. And an insulating layer forming step of covering the substrate with an insulating material, and the upper surface flattening step, the insulating layer, the sacrificial layer and the upper portion of the piezoelectric thick film pattern are polished or ground substantially parallel to the substrate to be removed and flattened. Surface forming step, the upper electrode forming step is a step of forming an electrode film across the flat surfaces of the piezoelectric thick film pattern, the sacrificial layer and the insulating layer, and further, the upper electrode and the lower part. A polarization forming step of applying a DC voltage between the electrodes and forming a polarization state in the direction between the electrodes, that is, in the thickness direction of the piezoelectric thick film element; and after the upper electrode is formed, the sacrificial layer is melted and removed to form a gap. Sacrifice forming part Method of manufacturing a micro piezoelectric vibrator and having a layer removing step.

【0130】図2〜6に該当し、全実施例に適用され
る。 [作用]前記絶縁層、犠牲層及び圧電厚膜パターンの上
部が基板にほぼ平行に研磨または研削して除去すること
により平坦面が形成され、前記上部電極と下部電極との
間に直流電圧を印加することにより圧電厚膜素子の厚み
方向の分極状態が形成された後、溶融性樹脂からなる前
記犠牲層を溶融除去して空隙部が形成されることにな
る。
It corresponds to FIGS. 2 to 6 and applies to all the embodiments. [Operation] A flat surface is formed by polishing or grinding and removing the upper portions of the insulating layer, the sacrificial layer and the piezoelectric thick film pattern substantially parallel to the substrate, and a DC voltage is applied between the upper electrode and the lower electrode. After the application, a polarization state in the thickness direction of the piezoelectric thick film element is formed, and then the sacrificial layer made of a meltable resin is melted and removed to form a void portion.

【0131】[効果]安定した厚み縦振動が得られる断
面が台形形状をした圧電厚膜素子が容易に形成できる。
さらに圧電厚膜素子と絶縁層の平坦化した上面に空隙部
を介して上部電極が跨がって形成されたマイクロ圧電振
動子が容易に形成できる。
[Effect] It is possible to easily form a piezoelectric thick film element having a trapezoidal section in which stable thickness longitudinal vibration is obtained.
Furthermore, a micro-piezoelectric vibrator in which the upper electrode is formed across the flattened upper surface of the piezoelectric thick film element and the insulating layer via the gap can be easily formed.

【0132】16. [構成]前記第15項に記載したマイクロ圧電振動子の
製造方法において、前記犠牲層を構成する溶融性樹脂の
軟化温度が前記絶縁層形成工程における絶縁層形成温度
より高いことを特徴とするマイクロ圧電振動子の製造方
法。
16. [Structure] In the method for manufacturing a micro-piezoelectric vibrator according to the fifteenth aspect, the melting temperature of the meltable resin forming the sacrificial layer is higher than the insulating layer forming temperature in the insulating layer forming step. Piezoelectric vibrator manufacturing method.

【0133】全実施例が対応する。 [作用]絶縁層形成工程において、前記犠牲層が溶融す
ることなく安定に保持される。
All examples correspond. [Operation] In the insulating layer forming step, the sacrificial layer is stably held without melting.

【0134】[効果]マイクロ圧電振動子の空隙の形成
が安定して実現できる。 17. [構成]前記第15項に記載したマイクロ圧電振動子の
製造方法において、前記絶縁層形成工程における前記絶
縁材料が光硬化性樹脂であり、この光硬化性樹脂に光像
を照射して絶縁層を形成することを特徴とするマイクロ
圧電振動子の製造方法。
[Effect] The formation of the voids of the micro piezoelectric vibrator can be stably realized. 17. [Structure] In the method for manufacturing a micro-piezoelectric vibrator according to the fifteenth aspect, the insulating material in the insulating layer forming step is a photocurable resin, and the photocurable resin is irradiated with an optical image to form an insulating layer. A method of manufacturing a micro-piezoelectric vibrator, comprising:

【0135】実施例1が対応する。 [作用]絶縁層形成工程において、樹脂の硬化温度が室
温等の比較的低温で可能となる。
Example 1 corresponds. [Operation] In the insulating layer forming step, the resin can be cured at a relatively low temperature such as room temperature.

【0136】[効果]絶縁層が熱ではなく、光により硬
化するので、犠牲層に熱の影響を与えずに絶縁層が形成
できる。これによって、均一な幅を有する空隙層を形成
でき、台形圧電振動子の斜面と絶縁層がかすり合わず安
定な圧電振動を利用できる。
[Effect] Since the insulating layer is cured not by heat but by light, the insulating layer can be formed without affecting the sacrificial layer by heat. As a result, a void layer having a uniform width can be formed, and stable piezoelectric vibration can be used because the slope of the trapezoidal piezoelectric vibrator and the insulating layer do not rub against each other.

【0137】18. [構成]前記第5項に記載したマイクロ圧電センサの受
圧部の製造方法において、前記15項に記載した前記上
部電極形成工程が上部電極を特定形状に形成する工程で
あり、前記上部電極の周淵部と空隙部に跨がって犠牲層
を形成する第2の犠牲層形成工程と、前記犠牲層の全面
と前記上部電極と前記絶縁層の一部に跨がって樹脂層を
形成し受圧部を形成する樹脂性受圧部層形成工程と、前
記第1犠牲層と第2犠牲層を一括して除去する両犠牲層
除去工程とからなることを特徴とするマイクロ圧電セン
サの製造方法。
18. [Structure] In the method for manufacturing a pressure-receiving portion of a micro-piezoelectric sensor described in the fifth paragraph, the upper electrode forming step described in the fifteenth paragraph is a step of forming the upper electrode into a specific shape, and a peripheral edge portion of the upper electrode. And a second sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer over the void portion, and a resin layer formed over the entire surface of the sacrificial layer, the upper electrode, and a part of the insulating layer to form a pressure receiving portion. And a sacrificial layer removing step of collectively removing the first sacrificial layer and the second sacrificial layer, and a method of manufacturing a micro-piezoelectric sensor.

【0138】実施例2が該当する。上部電極形成工程に
より特定形状に形成した上部電極に対し、第2の犠牲層
形成工程、樹脂製受圧部層形成工程、第1,第2犠牲層
除去工程という工程を順に進める製造方法である。
Example 2 is applicable. This is a manufacturing method in which a second sacrificial layer forming step, a resin pressure-receiving portion layer forming step, and first and second sacrificial layer removing steps are sequentially performed on the upper electrode formed in the specific shape by the upper electrode forming step.

【0139】[作用]第2の犠牲層形成工程で最終的に
第2の空隙部になるスペースを確保する。樹脂製受圧部
層形成工程で受圧部になる部位が室温で半硬化状態とな
る。両犠牲層除去兼樹脂製受圧部硬化加熱工程で両犠牲
層材料が除去されると共に前記半硬化状態の樹脂製受圧
部が完全に硬化する。
[Operation] A space that will eventually become the second void portion is secured in the second sacrifice layer forming step. In the resin pressure receiving portion layer forming step, the portion that becomes the pressure receiving portion becomes a semi-cured state at room temperature. In the sacrificial layer removal and resin pressure receiving portion curing heating step, both sacrificial layer materials are removed and the semi-cured resin pressure receiving portion is completely cured.

【0140】[効果] 受圧部を備えた圧電振動子が得
られる。 19. [構成]前記第9項に記載したアレイ型圧電トランスデ
ューサの製造方法が、基板上に下部電極をそれぞれ分離
したパターン形状とする工程と、該パターン電極上の端
部を除いた部分にジェットプリンティングシステムを用
いてスポット状に圧電厚膜を形成する工程と、熱処理工
程と、前記分離したパターン電極の端部に基板に垂直方
向に導電性突起を形成する工程と、犠牲層形成工程と、
絶縁層形成工程と、表面平坦化工程と、上部電極形成工
程と、分極工程と、上部電極パターン化工程と、犠牲層
除去工程と上部電極と前記導電性突起電極のひとつ一つ
に配線を接続する工程からなることを特徴としたアレイ
型圧電トランスデューサの製造方法。
[Effect] A piezoelectric vibrator having a pressure receiving portion can be obtained. 19. [Structure] In the method for manufacturing an array-type piezoelectric transducer described in the above-mentioned item 9, a step of forming a lower electrode on a substrate into a pattern shape separated from each other, and a jet printing system on a portion excluding an end portion on the pattern electrode. A step of forming a piezoelectric thick film in a spot shape using, a heat treatment step, a step of forming a conductive protrusion in the direction perpendicular to the substrate at the end of the separated pattern electrode, a sacrificial layer forming step,
Wiring is connected to each of the insulating layer forming step, the surface flattening step, the upper electrode forming step, the polarization step, the upper electrode patterning step, the sacrificial layer removing step, the upper electrode and the conductive bump electrode. A method of manufacturing an array-type piezoelectric transducer, comprising:

【0141】実施例2に対応する。先ず、基板上に下部
電極をそれぞれ分離したパターン形状とし、次いで、該
パターン電極上の端部を除いた部分にジェットプリンテ
ィングシステムを用いてスポット状に圧電厚膜を形成す
る工程、熱処理工程、前記分離したパターン電極の端部
に基板に垂直方向に導電性突起を形成する工程、犠牲層
形成工程、絶縁層形成工程、表面平坦化工程、上部電極
形成工程、分極工程、上部電極パターン化工程、犠牲層
除去工程、上部電極と前記導電性突起電極のひとつ一つ
に配線を接続する工程を経る。
This corresponds to the second embodiment. First, a lower electrode is formed into a separated pattern on a substrate, and then a step of forming a piezoelectric thick film in a spot shape using a jet printing system on a portion excluding an end portion on the pattern electrode, a heat treatment step, A step of forming a conductive protrusion in the vertical direction on the substrate at the end of the separated pattern electrode, a sacrifice layer forming step, an insulating layer forming step, a surface flattening step, an upper electrode forming step, a polarization step, an upper electrode patterning step, A sacrificial layer removing step and a step of connecting wiring to each of the upper electrode and the conductive bump electrode are performed.

【0142】[作用]基板上に下部電極をそれぞれ分離
したパターン形状とし、次いで、該パターン電極上の端
部を除いた部分にジェットプリンティングシステムを用
いてスポット状に圧電厚膜を形成し、熱処理工程でこの
厚膜と基板との密着性、圧電厚膜を構成する粒子間結合
力及び結晶性を向上させる。次に、前記分離したパター
ン電極の端部に基板に垂直方向に導電性突起を形成する
工程で駆動電圧入力端子を確保する。突起状なのであと
の表面平坦化工程で絶縁層表面に露出部を表すことがで
きる。更に、次の犠牲層形成工程により空洞部形成領域
が確保される。絶縁層形成工程でそれまでの工程で形成
された基板上の構造体が被覆される。表面平坦化工程で
表面凹凸状態の圧電厚膜や突起状下部電極端子の余分な
突起部が除去され表面が平坦化し同時に圧電厚膜や、突
起状下部電極端子の切り出し面が露出し絶縁層、犠牲層
形成用樹脂と面一となる。更に上部電極形成工程、分極
工程で圧電厚膜は圧電活性となり圧電振動子の動作可能
な状態となる。上部電極パターン化工程で圧電振動子の
上面と犠牲層用材料と絶縁層の表面に一体的にまたがっ
た上部パターン電極が形成される。更に犠牲層除去工程
で両犠牲層が除去され、圧電振動子の斜面周囲の空隙部
と受圧部用空隙部が形成される。最後に上部電極と前記
導電性突起電極のひとつひとつに配線を接続する工程で
アレイ型圧電振動子トランスデューサが完成する。
[Function] The lower electrode is formed into a separated pattern on the substrate, and then a piezoelectric thick film is formed in a spot shape by using a jet printing system on a portion excluding the end portion on the pattern electrode, followed by heat treatment. In the process, the adhesion between the thick film and the substrate, the inter-particle bonding force forming the piezoelectric thick film, and the crystallinity are improved. Next, a driving voltage input terminal is secured in a process of forming a conductive protrusion in a vertical direction on the substrate at an end of the separated pattern electrode. Since it is a protrusion, an exposed portion can be shown on the surface of the insulating layer in the subsequent surface flattening step. Further, the cavity forming region is secured by the next sacrifice layer forming step. In the insulating layer forming step, the structure on the substrate formed in the previous steps is covered. In the surface flattening process, the piezoelectric thick film with the uneven surface and the extra protruding portions of the protruding lower electrode terminals are removed to flatten the surface, and at the same time, the piezoelectric thick film and the cut surface of the protruding lower electrode terminals are exposed and the insulating layer, It is flush with the sacrificial layer forming resin. Furthermore, the piezoelectric thick film becomes piezoelectrically active in the upper electrode forming step and the polarization step, and the piezoelectric vibrator becomes operable. In the upper electrode patterning step, an upper pattern electrode integrally formed on the upper surface of the piezoelectric vibrator, the sacrificial layer material and the surface of the insulating layer is formed. Further, both sacrificial layers are removed in the sacrificial layer removing step, so that the void portion around the slope of the piezoelectric vibrator and the void portion for the pressure receiving portion are formed. Finally, an array type piezoelectric vibrator transducer is completed by a step of connecting a wiring to each of the upper electrode and the conductive bump electrode.

【0143】[効果]上記工程を経ることにより、周囲
に空隙部を配し、かつ受圧部を備えた台形状圧電振動子
アレイを精度良く製造できる。
[Effect] By undergoing the above steps, it is possible to accurately manufacture a trapezoidal piezoelectric vibrator array having a void portion around it and having a pressure receiving portion.

【0144】20. [構成]前記第8項に記載したアレイ型圧電トランスデ
ューサにおいて、その構造が下部電極アレイを形成した
絶縁性円筒基板と、前記各電極上に形成され分極された
圧電厚膜振動子アレイと、前記圧電厚膜振動子アレイと
その周囲に配設された空隙部と下部電極アレイに配線を
付設する部位を除いた領域に形成された絶縁層領域と、
圧電厚膜振動子の上面と該絶縁層の表面とに亘り一体的
に形成された上部電極とからなることを特徴としたアレ
イ型圧電トランスデューサ。実施例3が該当する。
20. [Structure] In the array type piezoelectric transducer described in the above item 8, an insulating cylindrical substrate having a structure in which a lower electrode array is formed, a piezoelectric thick film vibrator array formed on each of the electrodes and polarized, A piezoelectric thick film oscillator array, an insulating layer region formed in a region excluding a portion where wiring is provided in a lower electrode array and a void portion arranged around the piezoelectric thick film oscillator array,
An array-type piezoelectric transducer comprising an upper electrode integrally formed on the upper surface of a piezoelectric thick film oscillator and the surface of the insulating layer. Example 3 is applicable.

【0145】下部電極アレイを形成した絶縁性円筒基板
と、前記各電極上に形成された分極された圧電厚膜振動
子アレイと、前記圧電厚膜振動子アレイとその周囲に配
設された空隙部と下部電極アレイに配線を付設する部位
を除いた領域に形成された絶縁層領域と、圧電厚膜振動
子の上面と該絶縁層の表面とに亘り一体的に形成された
上部電極とからなる。
An insulating cylindrical substrate having a lower electrode array formed thereon, a polarized piezoelectric thick film oscillator array formed on each of the electrodes, the piezoelectric thick film oscillator array and voids arranged around the piezoelectric thick film oscillator array. And an insulating layer region formed in a region excluding a portion where wiring is attached to the lower electrode array, and an upper electrode integrally formed over the upper surface of the piezoelectric thick film oscillator and the surface of the insulating layer. Become.

【0146】[作用]上部電極を共通接地電極とするの
に対し、下部電極がアレイ状になっているので個々の圧
電振動子を異なるタイミングで駆動でき、圧電振動子を
一つずつでも複数個まとめてでも、ラジアル走査ができ
る。各圧電振動子はその断面が台形をしている上に、そ
の周囲に空隙を配しているので圧電振動子間のクロスト
ークを小さくできる。
[Operation] While the upper electrode is used as the common ground electrode, the lower electrodes are arrayed, so that individual piezoelectric vibrators can be driven at different timings, and one or more piezoelectric vibrators can be driven. Radial scanning is possible even in a lump. Since each piezoelectric vibrator has a trapezoidal cross section and a void is arranged around it, crosstalk between the piezoelectric vibrators can be reduced.

【0147】[効果] 良好な走査方向の横分解能が得
られる。 21. [構成]圧電振動子と被測定対象物の間に音響的な結合
層を有する圧電トランスデューサにおいて、前記音響的
な結合層が被対象物に接触する側は被対象物の音響イン
ピーダンスの1.2〜3倍の音響インピーダンスを、圧
電振動子側に接触する面は圧電振動子の音響インピーダ
ンスとほぼ等しい音響インピーダンスを有することを特
徴とした圧電トランスデューサ。実施例6に対応する。
[Effect] Good lateral resolution in the scanning direction can be obtained. 21. [Configuration] In a piezoelectric transducer having an acoustic coupling layer between a piezoelectric vibrator and an object to be measured, the side where the acoustic coupling layer contacts the object is 1.2 of the acoustic impedance of the object. A piezoelectric transducer characterized by having an acoustic impedance of ˜3 times, and a surface in contact with the piezoelectric vibrator side having an acoustic impedance substantially equal to that of the piezoelectric vibrator. It corresponds to Example 6.

【0148】音響的な結合層が被対象物に接触する側は
被対象物の音響インピーダンスのほぼ3倍の音響インピ
ーダンスを、圧電振動子側に接触する面は圧電振動子の
音響インピーダンスとほぼ等しい音響インピーダンスを
有する構成である。
The side where the acoustic coupling layer contacts the object has an acoustic impedance that is approximately three times the acoustic impedance of the object, and the surface that contacts the piezoelectric vibrator side is substantially equal to the acoustic impedance of the piezoelectric vibrator. This is a configuration having acoustic impedance.

【0149】[作用]圧電振動子の表面から放射された
圧電振動(超音波)はこの音響的な結合層に損失なく入
射し、結合層の中を圧電振動子の中と同程度の小さな減
衰で結合層の被対象物に到達し、その界面で音響インピ
ーダンスに1.2〜3倍の差があるので、約1/10〜
1/2の振動エネルギーが界面で反射し圧電振動子に戻
って行く。この反射は、対象物の音響インピーダンス、
即ち複素弾性定数の実数部、虚数部の値に対応し、共振
周波数と共振抵抗が変化する。また、振動エネルギーの
1/2は被対象物に入射し、被対象物内の音響インピー
ダンスの不連続面で反射し、反射超音波は音響的結合層
との境界でその1/2が音響的結合層側へ入射し、圧電
振動子と音響的結合層との界面では損失なく圧電振動子
に入射する。従って、圧電振動子の圧電効果でこのエコ
ー信号が電気信号に変換される。
[Operation] Piezoelectric vibrations (ultrasonic waves) radiated from the surface of the piezoelectric vibrator are incident on this acoustic coupling layer without loss, and the inside of the coupling layer is attenuated as little as the inside of the piezoelectric oscillator. Reaches the target object of the coupling layer, and there is a 1.2 to 3 times difference in acoustic impedance at the interface, so about 1/10 to 10
Half of the vibration energy is reflected at the interface and returns to the piezoelectric vibrator. This reflection is the acoustic impedance of the object,
That is, the resonance frequency and the resonance resistance change corresponding to the values of the real part and the imaginary part of the complex elastic constant. Further, half of the vibration energy is incident on the object and is reflected by the discontinuity surface of the acoustic impedance in the object, and the reflected ultrasonic wave is a boundary with the acoustic coupling layer, and half of it is acoustic. It is incident on the coupling layer side, and is incident on the piezoelectric oscillator without loss at the interface between the piezoelectric oscillator and the acoustic coupling layer. Therefore, this echo signal is converted into an electric signal by the piezoelectric effect of the piezoelectric vibrator.

【0150】[効果]圧電振動子の共振周波数と共振抵
抗から音響的結合層が接している被対象物の表面近傍の
複素弾性率の実数部、虚数部、即ち、弾性係数(ヤング
率)と粘性係数がわかり、またエコー信号から深さ方向
の弾性定数の不連続状態が検出できる。
[Effect] From the resonance frequency and resonance resistance of the piezoelectric vibrator, the real and imaginary parts of the complex elastic modulus near the surface of the object in contact with the acoustic coupling layer, that is, the elastic coefficient (Young's modulus) The viscosity coefficient is known, and the discontinuous state of the elastic constant in the depth direction can be detected from the echo signal.

【0151】22. [構成]前記第21項に記載した圧電トランスデューサに
おいて、被対象物が生体であり、前記音響的な結合層の
前記生体に接触する側の音響インピーダンスが1.8×
106 Kg/sec ・m2 から4.5×106 Kg/sec
・m2 の範囲にあることを特徴とする生体用圧電トラン
スデューサ。
22. [Structure] In the piezoelectric transducer described in the above paragraph 21, the object is a living body, and the acoustic impedance of the acoustic coupling layer on the side in contact with the living body is 1.8 ×.
10 6 Kg / sec ・ m 2 to 4.5 × 10 6 Kg / sec
-A piezoelectric transducer for living body characterized by being in the range of m 2 .

【0152】実施例6に対応する。なお、ここで言う生
体とは主に人体をさすが、他の動物、組織でも、その音
響インピーダンスが1.5×106 Kg/sec ・m2
傍の値をもつものであれば何でもよい。
This corresponds to the sixth embodiment. The living body here mainly refers to a human body, but any animal or tissue may be used as long as its acoustic impedance has a value in the vicinity of 1.5 × 10 6 Kg / sec · m 2 .

【0153】[作用]生体の音響インピーダンスはほぼ
1.5×106 Kg/sec ・m2 であり、1.8×10
6 Kg/sec ・m2 から4.5×106 Kg/sec ・m
2 の範囲はこの生体の音響インピーダンスの1.2〜3
倍の値に相当するので、前記音響的結合層に圧電振動
(超音波)が反射無しに入射し、生体と音響的結合層の
界面で、約1/10〜1/2の超音波エネルギーが反射
し、圧電振動子に戻っていく。この戻ってきた超音波は
前記界面、すなわち、生体の表層の機械的特性すなわち
弾性係数や粘性係数に関する情報を含んでいる。一方、
生体に進入する9/10〜1/2の超音波エネルギーは
深さ方向に存在する正常組織とは異なる音響インピーダ
ンスを持つ腫瘍等異常組織との界面で反射しエコー信号
となって圧電トランスデューサに戻る。
[Operation] The acoustic impedance of the living body is approximately 1.5 × 10 6 Kg / sec · m 2, which is 1.8 × 10 6.
6 Kg / sec ・ m 2 to 4.5 × 10 6 Kg / sec ・ m
The range of 2 is 1.2 to 3 of the acoustic impedance of this living body.
Since it corresponds to a doubled value, piezoelectric vibration (ultrasonic wave) is incident on the acoustic coupling layer without reflection, and ultrasonic energy of about 1/10 to 1/2 is generated at the interface between the living body and the acoustic coupling layer. It reflects and returns to the piezoelectric vibrator. The returned ultrasonic wave contains information about the mechanical properties of the interface, that is, the surface layer of the living body, that is, the elastic coefficient and the viscosity coefficient. on the other hand,
The ultrasonic energy of 9/10 to 1/2 that enters the living body is reflected at the interface with abnormal tissue such as tumor having an acoustic impedance different from that of normal tissue existing in the depth direction, and returns to the piezoelectric transducer as an echo signal. .

【0154】[効果]このような結合層を有することに
よって、生体表面の機械特性を検出できるだけでなく、
深さ方向に存在する腫瘍等の異物の存在と、その存在位
置とを検出することができる。
[Effect] By having such a binding layer, not only the mechanical properties of the living body surface can be detected, but also
The presence of a foreign substance such as a tumor existing in the depth direction and the location of the foreign substance can be detected.

【0155】23. [構成]前記第21項に記載した圧電トランスデューサ
において、前記音響的な結合層の機械的品質係数が圧電
振動子の機械的品質係数と同じかそれ以上の値を有する
ことを特徴とした圧電トランスデューサ。実施例6に対
応する。前記音響的な結合層の機械的品質係数が圧電振
動子の機械的品質係数と同じかそれ以上の値を有する。
23. [Structure] The piezoelectric transducer described in the paragraph 21, wherein the acoustic coupling layer has a mechanical quality factor equal to or greater than a mechanical quality factor of the piezoelectric vibrator. . It corresponds to Example 6. The mechanical quality factor of the acoustic coupling layer has a value equal to or higher than the mechanical quality factor of the piezoelectric vibrator.

【0156】[作用]機械的品質係数は超音波の伝搬損
失に対応し、この値が大きいほど超音波の伝搬損失が小
さい。従って、この様に機械的品質係数が圧電振動子の
機械的品質係数と同じかそれ以上の値を有する材質を使
えば、そこで超音波の損失がないので圧電振動子の共振
抵抗が増大することは殆どない。
[Operation] The mechanical quality factor corresponds to the propagation loss of ultrasonic waves, and the larger this value, the smaller the propagation loss of ultrasonic waves. Therefore, if a material with a mechanical quality factor equal to or greater than the mechanical quality factor of the piezoelectric vibrator is used, there is no loss of ultrasonic waves and the resonance resistance of the piezoelectric vibrator increases. There is almost no.

【0157】[効果]共振抵抗が低いほど、対象物を接
触した時の共振抵抗の変化が大きくとれるのでセンサと
しての感度、ダイナミックレンジが大きくとれる。
[Effect] The lower the resonance resistance, the larger the change in the resonance resistance when an object is brought into contact with the object. Therefore, the sensitivity and dynamic range of the sensor can be increased.

【0158】24. [構成]前記第21項に記載した圧電トランスデューサ
において、前記圧電素子が周囲に空隙部を配した断面が
台形をした圧電振動子であることを特徴とした圧電トラ
ンスデューサ。実施例16に対応する。前記圧電素子が
周囲に空隙部を配し、その断面が台形をしている。
24. [Structure] The piezoelectric transducer described in the above-mentioned item 21, wherein the piezoelectric element is a piezoelectric vibrator having a trapezoidal cross section with voids arranged around the piezoelectric element. It corresponds to Example 16. The piezoelectric element has a void around it, and its cross section is trapezoidal.

【0159】[作用]台形をしているのでポアソン比を
介して発生し易い拡がり振動は殆ど励起されず、なおか
つ、絶縁層とも接触していないので、機械的品質係数が
低下することはない。また、拡がり振動が発生しない
為、基板との接合状態で発生し易い屈曲振動も起こらな
い。
[Action] Since the trapezoidal shape causes the spreading vibration that is likely to occur via the Poisson's ratio to be hardly excited and not to be in contact with the insulating layer, the mechanical quality factor does not decrease. Further, since the spreading vibration does not occur, the bending vibration that is likely to occur in the bonding state with the substrate does not occur.

【0160】[効果]高い機械的品質係数を実現でき、
また目的とした厚み縦振動のみを効率良く励振できるの
で高感度で対象物の弾性特性の検出が可能となる。
[Effect] A high mechanical quality factor can be realized,
Further, since only the intended thickness longitudinal vibration can be efficiently excited, the elastic characteristic of the object can be detected with high sensitivity.

【0161】[0161]

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、厚み
縦振動を用いた圧電振動子で電極が段差構造を持たず、
不要振動がない機械的品質係数Qmの大きなマイクロ圧
電振動子、その製造方法、及び前記マイクロ圧電振動子
を利用した圧電トランスデューサを提供できる。
As described above in detail, according to the present invention, in the piezoelectric vibrator using the thickness extensional vibration, the electrodes do not have a step structure,
It is possible to provide a micro-piezoelectric vibrator having a large mechanical quality factor Qm without unnecessary vibration, a method for manufacturing the same, and a piezoelectric transducer using the micro-piezoelectric vibrator.

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

【図1】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
断面図。
FIG. 1 is a sectional view of a micro-piezoelectric vibrator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
製造方法の一工程図であり、圧電スポット膜を形成した
状態の断面図。
FIG. 2 is a process drawing of the method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view showing a state where a piezoelectric spot film is formed.

【図3】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
製造方法の一工程図であり、全面に絶縁層を形成した状
態の断面図。
FIG. 3 is a step diagram of the method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view showing a state in which an insulating layer is formed on the entire surface.

【図4】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
製造方法の一工程図であり、全面を平坦化した状態の断
面図。
FIG. 4 is a process drawing of the method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view showing a state where the entire surface is flattened.

【図5】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
製造方法の一工程図であり、上部電極兼分極電極を形成
した状態の断面図。
FIG. 5 is a step diagram of the method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view showing a state in which an upper electrode and a polarized electrode are formed.

【図6】本発明の実施例1に係るマイクロ圧電振動子の
製造方法の一工程図であり、パターン化した上部電極を
形成した状態の最終工程を示す断面図。
FIG. 6 is a step diagram of a method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the first embodiment of the present invention, which is a cross-sectional view showing the final step of forming a patterned upper electrode.

【図7】本発明の実施例1で用いたジェットプリンテイ
ングシステム装置の説明図。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a jet printing system device used in the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施例1の変型例の説明図で、図8
(A)は断面図、図8(B)は錐台形構造の圧電厚膜の
上面からみた構造が楕円形の場合、図8(C)は角形の
場合。
8 is an explanatory diagram of a modified example of Embodiment 1 of the present invention, and FIG.
8A is a cross-sectional view, FIG. 8B is a case where the structure of the piezoelectric thick film having a frustum-shaped structure is elliptical, and FIG. 8C is a case where it is rectangular.

【図9】本発明の実施例2に係るマイクロ圧電振動子の
断面図。
FIG. 9 is a sectional view of a micro-piezoelectric vibrator according to a second embodiment of the present invention.

【図10】本発明の実施例2に係るマイクロ圧電振動子
の製造方法を工程順に示す断面図で、図10(A)は第2
犠牲層を形成した状態、図10(B)は微細孔を形成した
状態、図10(C)は第2空隙部を形成した状態を示す断
面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator according to the second embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG.
FIG. 10B is a sectional view showing a state in which a sacrificial layer is formed, FIG. 10B is a state in which fine holes are formed, and FIG. 10C is a state in which a second void portion is formed.

【図11】本発明の実施例2の変型例に係るマイクロ圧
電振動子の断面図。
FIG. 11 is a sectional view of a micro-piezoelectric vibrator according to a modified example of Example 2 of the present invention.

【図12】図11のマイクロ圧電振動子の製造方法を工程
順に示す断面図で、図12(A)は弾性部材を形成した状
態、図12(B)は微細孔を形成した状態、図12(C)は
第2空隙部を形成した状態を示す断面図。
12A to 12C are cross-sectional views showing a method of manufacturing the micro-piezoelectric vibrator of FIG. 11 in order of steps, FIG. 12A is a state in which an elastic member is formed, FIG. 12B is a state in which fine holes are formed, and FIG. FIG. 6C is a cross-sectional view showing a state in which a second void portion is formed.

【図13】本発明の実施例3に係る直線状アレイ型マイ
クロ圧電トランスデューサの説明図であり、図13(A)
は上面図、図13(B)は図13(A)の単位圧電振動子の
部分拡大上面図、図13(C)は図13(B)のX−X線に
沿う断面図、図13(D)は図13(B)のY−Y線に沿う
断面図。
FIG. 13 is an explanatory diagram of a linear array type micro-piezoelectric transducer according to a third embodiment of the present invention, and FIG.
Is a top view, FIG. 13 (B) is a partially enlarged top view of the unit piezoelectric vibrator of FIG. 13 (A), FIG. 13 (C) is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 13 (B), and FIG. 13D is a sectional view taken along the line YY of FIG.

【図14】本発明の実施例3の変型例に係るアレイ型マ
イクロ圧電トランスデューサの断面図。
FIG. 14 is a sectional view of an array type micro-piezoelectric transducer according to a modification of Example 3 of the present invention.

【図15】本発明の実施例4に係るアレイ型マイクロ圧
電トランスデューサの説明図であり、図15(A)は側面
図、図15(B)は図15(A)の単独の圧電振動子の拡大
上面図、図15(C)は図15(B)のX−X線に沿う断面
図、図15(D)は図15(B)のY−Y線に沿う断面図
15A and 15B are explanatory views of an array type micro-piezoelectric transducer according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 15A is a side view, and FIG. 15B is a single piezoelectric vibrator of FIG. 15A. An enlarged top view, FIG. 15C is a sectional view taken along line XX of FIG. 15B, and FIG. 15D is a sectional view taken along line YY of FIG. 15B.

【図16】本発明の実施例4の変型例に係るアレイ型マ
イクロ圧電トランスデューサの動作説明図。
FIG. 16 is an operation explanatory diagram of an array type micro-piezoelectric transducer according to a modification of Example 4 of the present invention.

【図17】本発明の実施例4の変型例のアレイ型マイク
ロ圧電トランスデューサの説明図。
FIG. 17 is an explanatory diagram of an array type micro-piezoelectric transducer of a modified example of Example 4 of the present invention.

【図18】本発明の実施例5に係る圧電振動子二次元ア
レイの説明図であり、図18(A)は平面図、図18(B)
は図18(A)のX−X線に沿う断面図。
18A and 18B are explanatory views of a piezoelectric vibrator two-dimensional array according to a fifth embodiment of the invention, FIG. 18A is a plan view, and FIG.
18A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図19】本発明の実施例6に係る圧電振動子の断面
図。
FIG. 19 is a sectional view of a piezoelectric vibrator according to Example 6 of the invention.

【図20】従来のマイクロ触覚センサの説明図であり、
図20(A)は平面図、図20(B)は図20(A)のX−X
線に沿う断面図。
FIG. 20 is an explanatory diagram of a conventional micro tactile sensor,
20A is a plan view and FIG. 20B is XX of FIG. 20A.
Sectional drawing which follows the line.

【図21】従来の圧電振動子の断面図。FIG. 21 is a sectional view of a conventional piezoelectric vibrator.

【図22】従来の平行電界励振圧電振動子の説明図。FIG. 22 is an explanatory diagram of a conventional parallel electric field excitation piezoelectric vibrator.

【図23】各種振動子の断面図。FIG. 23 is a cross-sectional view of various vibrators.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,131 ,181 …基板、 2,132 ,182 …
表面酸化膜、3,133 ,152 ,185 …下部電極、4,13
4 ,138 ,153 ,186 …圧電厚膜素子、5,92,146 ,
147 ,154 ,187 …空隙部、6,23,136 ,155 ,188
…絶縁層、 7,137 ,156 ,189 …上部電極、21…圧
電スポット膜、 22,94…犠牲層、24…上
部電極兼分極電極、 26,114 ,135 …空隙
部、91,111 …受圧部、 93,113 …微細孔、
112 …弾性部材、139 ,159 …下部電極突起、
140 ,160 …下部電極突起被膜電極、141 …直線状
圧電振動子アレイ、 145 …受圧部兼音響整合層、15
1 …円筒基板、 157 …共通接地電
極、158 …単体圧電振動子、 183 ,184 …デコーダ。
1,131,181 ... Substrate, 2,132,182 ...
Surface oxide film, 3,133, 152, 185 ... Lower electrode, 4,13
4, 138, 153, 186 ... Piezoelectric thick film element, 5, 92, 146,
147, 154, 187 ... Void, 6,23, 136, 155, 188
... Insulating layer, 7, 137, 156, 189 ... Upper electrode, 21 ... Piezoelectric spot film, 22, 94 ... Sacrificial layer, 24 ... Upper electrode and polarized electrode, 26, 114, 135 ... Void portion, 91, 111 ... Pressure receiving Part, 93, 113 ... Micropores,
112 ... Elastic member, 139, 159 ... Lower electrode protrusion,
140, 160 ... Lower electrode projection coating electrode, 141 ... Linear piezoelectric vibrator array, 145 ... Pressure receiving part and acoustic matching layer, 15
1 ... Cylindrical substrate, 157 ... Common ground electrode, 158 ... Single piezoelectric vibrator, 183, 184 ... Decoder.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 厚み縦振動の共振特性を用いたマイクロ
圧電振動子において、表面に下部電極を施した基板と、
前記下部電極上に形成され、その断面形状が台形状で厚
み方向に分極状態にある圧電厚膜素子と、この圧電厚膜
素子の側壁に対し空隙部を隔てて包囲するように形成す
るとともに前記基板に対し略平行な面を有して形成され
た絶縁層と、前記圧電厚膜素子の上面と前記絶縁層の表
面に一体的に配設された上部電極を具備したことを特徴
とするマイクロ圧電振動子。
1. A micro-piezoelectric vibrator using resonance characteristics of thickness longitudinal vibration, comprising a substrate having a lower electrode on its surface,
A piezoelectric thick film element formed on the lower electrode and having a trapezoidal cross section and being polarized in the thickness direction, and a piezoelectric thick film element formed so as to surround a side wall of the piezoelectric thick film element with a space therebetween. A micro device comprising an insulating layer having a surface substantially parallel to the substrate, and an upper electrode integrally disposed on the upper surface of the piezoelectric thick film element and the surface of the insulating layer. Piezoelectric vibrator.
【請求項2】 ジェットプリンティング法を用いてスポ
ット状に圧電厚膜を形成する工程と、熱処理工程と、犠
牲層形成工程と、絶縁層形成工程と、表面平坦化工程
と、上部電極形成工程と、分極工程と、上部電極パター
ン化工程と、犠牲層除去工程とを具備することを特徴と
したマイクロ圧電振動子の製造方法。
2. A step of forming a piezoelectric thick film in a spot shape by using a jet printing method, a heat treatment step, a sacrifice layer forming step, an insulating layer forming step, a surface flattening step, and an upper electrode forming step. A method of manufacturing a micro-piezoelectric vibrator, comprising: a polarization step, an upper electrode patterning step, and a sacrifice layer removal step.
【請求項3】 請求項1記載のマイクロ圧電振動子と被
測定対象物の間に音響的な結合層を有する圧電トランス
デューサにおいて、前記音響的な結合層が被対象物に接
触する側は被対象物の音響インピーダンスの1.2〜3
倍の音響インピーダンスを、圧電厚膜素子側に接触する
面は圧電厚膜素子の音響インピーダンスとほぼ等しい音
響インピーダンスを有し、前記音響的な結合層の機械的
品質係数が圧電厚膜素子の機械的品質係数と同じかそれ
以上の値を有することを特徴とした圧電トランスデュー
サ。
3. A piezoelectric transducer having an acoustic coupling layer between the micro-piezoelectric vibrator and the object to be measured according to claim 1, wherein the side where the acoustic coupling layer contacts the object is the object. 1.2-3 of the acoustic impedance of the object
The acoustic impedance of the piezoelectric thick film element is substantially equal to that of the piezoelectric thick film element on the surface in contact with the piezoelectric thick film element. Piezoelectric transducer characterized by having a value equal to or higher than the dynamic quality factor.
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