JPS61220596A - 超音波トランスジユ−サ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波トランスジー−サに関し、特に産業用ロ
ボットの近接覚の検出に利用することのできる高性能か
つ小型軽量の壁中超音波トランスジューサの構造に関す
るものである。

（従来技術とその問題点） 従来、産業用ロボットの分野においては対象物体の距離
、大きさ、形状等の認識にＣＯＤ等の可視光を用いる固
体撮像センサが多く用いられてきた。

しかし、可視光を用いるセンサでは、対象物体が透明で
あるときやセンサと対象物体との間の媒体が塵等で汚れ
ているとき等に用いることができないという欠点がある
。従って、近年、可視光に〃）わって超音波を対象物体
の認識に利用しようとする技術が登場した。超音波ｌ・
ランスジー−サにおいては、一つあるいけ複数個のデバ
イスにより超音波の送波および受波を行なうので、超音
波の発振および受信を行なう機械的要素とこれを助ける
発振回路、受信回路等の電気的要素をうまく組み合せて
構成する必要がある。特に、ある面を振動させて空気中
ＶＣ超音波を放射しようとするとき、その面に対する空
気の手ごたえ（音響インピーダンス）は液体や固体に比
べて非常に小さいので、大きな強度をもつ超音波の放射
が困難である。従って、先に述べた機械的要素において
効率よく超音波が放射されるように設計することはもち
ろん電気的要素においても増幅補償回路により小信号全
補償して受信する等の工夫が必要である。し〃）し、現
在一般に用いられている超音波トランスジー−−サは、
この機械的要素と電気的要素が一体とはならずに分離し
ている。以下、従来例を図をあげて説明し、同時にその
欠点について述べる。

第４図は従来の超音波トランスジー−サの構成例の断面
を示す図である。図中４７は、円形のアルミ合金の板で
、中央に数十〜数百μｍの深さをもつ溝１０１が形成さ
れている。この溝１０１の上面には、厚さ６〜２０数μ
ｍのポリエステルの膜４８が金属ケース４１とアルミ合
金の板４７により挿まれて固定されている。ポリエステ
ルの膜４８の表面ハ、アルミ合金の板４７と接する面と
反対の側の表面に金箔等による電極４９が蒸着されてい
る。

図中の４３は保護スクリーンで金属ケース４１に固定さ
れており、ポリエステルの膜４８が外部より破損される
のを防いでいる。一方、アルミ合金の板４７の裏面には
、金属よりなる板バネ４６が取りつけられておジ、アル
ミ合金の板４７ヲ金属ケース４１に押しつけている。ま
た、板バネ４６はプラスチックケース４２に固定されて
いる。４４．４５は電極端子で、４４は板バネ４６と一
体に構成されており、一方、４５は金属ケース４１と一
体に構成されている。従って電極端子４４の電位は、板
バネ４６ヲ介してアルミ合金の板４７と等しく、一方、
電イヴ端子４５の電位は、金属ケース４１ヲ介して電極
４９と等しい。これよジ電極端子４４．４５に電圧が印
加されるとき、この印加電圧と等しい電圧がアルミ合金
の板４７Ｌ電極４９の間に生じ、静電気力によりポリエ
ステルの膜４８を撓ませる。従って、この電極端子４４
．４５に印加する電圧が交流で変化するとき、ポリエス
テルの膜４８に働く静電気力も交流で変化して、ポリエ
ステルの膜４８を振動させ、この結果、超音波が前面に
放射される。第５図は、前記第４図で述べた静電型超音
波トランスジー−サの原理を示す図で。

振動をおこす機械的要素５工とこれ以外の電気的要素５
２から構成されて因る。機械的要素５１は振動板５１　
ａと固定板５１ｂから構成されており、例えば第４図に
示す構造をもつ。一方、電気的要素５２け。

超音波の送波の場合にはバイアス電圧５３．抵抗５４、
発振回路５５から構成される。今、発振回路５５から信
号が生じていないときには、振動板５１　ａはバイアス
電圧５３により固定板５１　ｂ　Ｋ引かれ撓んでいる。

続いて、発振回路５５にバイアス電圧５３よシも小さい
交流電圧が生じた場合には、発振回路５５の両端に生ず
る電圧の極性により以下のように変化する。

すなわち発振回路５の両端に生ずる電圧の極性がバイア
ス電圧５３と同じときには、これら電圧の和に等しい電
位差が振動板５１　ａと固定板５１ｂに加わるために振
動板５１　ａの撓みは大きくなる。一方、発振回路５５
の電圧の極性がバイアス電圧５３と逆の場合にはこれら
の電圧の差に等しい電位差が振動板５］、　ａと固定板
５１　ｂに加わるために、振動板５１ａの撓みは小さく
なる。従って、発振回路５５により発振回路の両端の電
圧を周期的に変化させるとき、振動板５１　ａが振動し
、超音波が前面に放射される。なお抵抗５４は、振動板
５１　ａと固定板５１　ｂの間で放電等が生じた場合に
、回路に大きな電流が流れないように回路を探掘する機
能をもっている。以上超音波の送波の場合について述べ
たが、受波の場合には、第５図の５５ヲ増幅補償等を行
なう受信回路とすれば良い。このとき、外部から侵入し
た超音波により、振動板５］　ａが振動して、損動幅５
１　ａと固定板５１ｂの間の容量が変化する。従って１
．ｆ／受信回路５５に交流電流が流れ、これを増幅補償
してやることにより超音波の受信が可能となる。以上、
例を用いて従来の静電型超音波トランスジー−サの説明
を行なった。ここで示したように、超音波トランスジュ
ーサにおいて、機械的要素と電気的要素の組み合せは必
要不可避なものであり、従来例として第４図に示した超
音波トランスジューサにおいても第４図の機械的要素に
外付けの電気回路を付帯して全体を構成していた。従っ
て、従来の構造で高性能のデバイスを実現しようとする
とますますこの電気的要素の占める領域が大きくなジ、
装置を大型なものにするという傾向があった。

この傾向は、超音波トランスジー−サアレイを実現しよ
うとするときに１すます問題となった。

実際、アレイ化されたトランスジューサの電極を結ぶ配
線は、これだけでかなりの大きさとなることが知られて
いる。

一方、先に述べたように産業用ロボットの分野において
高性能かつ小型の超音波トランスジー−サが必要とされ
ている。従って、超音波トランスジューサの電気的要素
をシリコンのＩＣプロセス技術を利用して集積化し、こ
れヒ振動を行なう機械的要素を一体に成形して小型軽量
を実現したデバイスが切に望まれていた。しかし、従来
の構造をもつ超音波トランスジー−サにおいては、機械
的要素ヲシリコンのＩＣ’プロセス技術と合致して製造
することが不可能なため、デバイスの小型軽量化をはか
ることができ々いという欠点があった。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記従来技術の欠点全除去し高性能か
つ小型軽］けの空中超音波トランスジューサを提供する
ことにある。

（発明の構成） 本発明によれば、圧電体より成る薄膜と％該薄膜の両側
の主面に形成した第一および第二の電極と、該第二の電
４ｊを挿んで当に亥薄膜と連結し、かつ、少なくとも一
辺がシリコン基板と連ボ、ダしている矩形のシリコン薄
板と、当該シリコン基板上に作製された集積回路とを備
え、当該シリコン薄、阪が高濃度のボロン不純物４含み
、前ｄ己亘極のうち少なくとも第一の電極と０１１記集
核回路が該電極と該集積回路の上に塗布されたポリイミ
ド樹脂（／ｃ開けられたスルーホールを介して接αされ
ていることを特徴とする超音波トランスジ＝−ザが得ら
れる。

（発明の作用原理） 本発明の超音波トランスジー−ザは、シリコンのＩＣプ
ロセス技術に合致した製法と周辺回路の集積化を可能と
したモノリシック超音波トランスジーーサでちゃ、第２
図に示すように障」性の小さいシリコン薄板と圧電島膜
により主に構成された片持ち染等の形状を持つ振動体が
、圧電体薄膜の上下の電極に加えられた電位差の変化に
従って上下に可動し、超音波全送波するように工夫され
ている。また、このデバイスを超音波のジ波に用いる揚
台には、上記振動体が外部超音波により振動するとき圧
電体薄膜の上下の電極間の電位差が賀化することを利用
して、電気回路に淀れる電流の変化として読み出すこと
ができるようになっている。また、上記振動体をシリコ
ン基板上に作製することが可能なため、同時に発振回路
および受信回路をシリコンＩＣ１日セス技術を用いて集
積化することができ、従って高性能超音波トランスジー
−サを小型軽量に製造することが可能となった。

また、振動体の圧電体薄膜の上下の電極と集積回路との
接続にポリイミド樹脂を塗布してこの士に配線をおくこ
とにより、配線の切断を防ぐことができ、デバイス作製
の歩留ジが著しく向上した。

（実施例） は下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図および第２図１寸、本発明の一実施例を示すもの
であり、それぞれ平面図および断面図に対応している。

本実施例の超音波の送波および受波を行なう振動体２０
１’：ｊ：　ｓ　ボロンの不純物を高濃度（≧ｔ　Ｘ　
１０２０　園１）に含ｆ、　シリコン薄板２とＺｎＯ。

Ａ７Ｎ等の圧電体薄膜４とから主に構成されており矩形
のシリコン薄板２の一辺はシリコン基板１と一体に連結
して片持ち染の形状全形成してしる。

この振動体２０は、シリコン基板１に彫られた溝１２の
中で上下に振動して超音波の送受波を行なう。

圧電体薄膜４の主面の両側には上部電極５および下部電
極６が配置されていて、振動体２０が振動する際に異な
る電位差が印加あるいは発生する。なお下部電極６とシ
リコン薄板２の間には酸化膜３が挿入されており、電極
６と薄板２の間に電流が漏れるのを防いでいる。下部電
極６は、これも酸化膜３の上におかれたアルミ配線２１
ヲ介してシリコン基板１に作製された駆動および受信の
ための集積回路８と電気的に接続している。一方、上部
電極５と集積回路８を接続する際には、従来配線の径路
に圧電体薄膜の厚さによる段差が存在するためにアルミ
配線が切断するということがしばしば生じた。この欠点
を解決するために、上記上部電極５の一部と集積回路８
の上にポリイミド樹脂７を塗布して、このポリイミド樹
脂７に土部電極５につながるスルーホール１１および集
積回路につながるスルーホール１０の開口を設けると共
に、各スルーホール１０および１１ヲ導通させるアルミ
配線９をポリイミド樹脂７の上に作製する。という構成
を用いた。この結果、アルミ配線９の断線’を児全に防
ぐことができるようになった。なお、本実施例で述べた
発信回路および受信回路は、特に限定されるもので々く
、全ての周知の回路技術を本発明に含むことは言うまで
もない。

第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジー−
サを製造する手順の一例を示したものである。図におい
て、先に本発明の一実施例とじて示した第１図および第
２図と同一番号は同一構成要素を示している。同図（ａ
）は、（１００）面をもつシリコン基板１の表裏に酸化
膜３をつけたものにフォトエツチング技術を用いて前記
第１図の振動体２０と同じ形状の開口穴３０を形成した
ものである。

開口穴３０を形成する際には、第１図の振動体２０の４
辺の方向が（１１０）方向に向くように注意する必要が
ある。この開口穴３０を通して高濃度のボロンを拡散し
、後にシリコン薄板２となる領域を形成する（同図（ｂ
））。再び図の上面全体全酸化膜３で覆い、第１図の溝
１２と同じ形状の開口穴３１ｆフオトエツチング技術に
よジ形成する（同図（Ｃ））。

この試料１ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）
あるいはヒドラジン等の水溶液に浸して、シリコンの異
方性エツチングを行なう　（同図ｃｄ））。

ＥＤＰｌ　ヒドラジン等の水溶液は、シリコンの（１１
１）面に対するエツチング率に比べて（１００）面に対
するエツチング率が著しく大きいという性質（異方性）
と共に、■×１０Ｃｒｎ　　以上の高濃度ボロン不純物
を含むシリコンのエツチング率が著しく小さいという選
択性をもっている。従って、同図ｆｃ）の試料全前記水
溶液に浸すことによシ、同図（ｄ）に示すシリコン薄板
２および溝１２を作製することができる。続いて、通常
のシリコンＩＣプロセス技術を用いて、送受信用の周辺
回路８を形成し、この周辺回路８に第１の配線用のコン
タクト穴３２を開ける（同図（ｅ））。欣いて下部電極
６を蒸着等によシ形成する（同図（ｆ））。下部電極は
、酸化膜３との接合を良くするためにＣｒの下地にＡｌ
ｌを上部おいたものが望まし因が、必らずしもこれに限
定されることなく、アルミ等の金属で代用しても良い。

しｖ＝Ｌ、先のコンタクト穴３２全通して周辺回路８と
オーミックに導通していることは必要である。この後、
ＺｎＯ，ＡｉＮ等の圧電材料をスパッタ等によタシリコ
ン薄板２の上に堆積して圧電体薄膜４を形成し、この上
に上部電極５を形成する（同図位））。圧電体薄Ｍ４に
通常の誘電分極処理を施こし、集積回路８に第２の配線
用コンタクト穴３３を開けた後、ポリイミド樹脂を用い
て塗布→ベーク→エツチングの工程を順次行なうことに
より、同図（ｈ）に示す７と、上部電極５と通ずるスル
ーホール１１および前記第２のコンタクト穴３３に通ず
るスルーホール１０を作製する。

最後に、ポリイミド樹脂７の上にスルーホール１０およ
び１１を介して上部電極５と周辺回路８全電気的に接続
させるアルミ配線９全形成する（同図０））。

第６図は本発明の他の実施例を示す断面図である。

図において、第１図および第２図と同一番号は同一構成
要素を示している。本発明の実施例は。

高濃度ボロンがエピタキシャル成長にょジ表面に形成さ
れた（　１００）の面方位をもつシリコン基板を用いて
、第１図および第２図の構造を実現した点に特徴がある
。このエビ基板を用いると、周辺回路８および溝１２が
形成される領域の表面ボロン層を除去する工程が新たに
必要となる。これは硝酸・フッ酸・酢酸等の混合液を用
すて容易に実現することができる。

同図の６１および６２ば、この工程により残ったボロン
層を示したものである。この後、第３図（ＣＪ〜（すと
同じ工程を行ない、第６図に示す超音波トランスジー−
サを作製することができた。本発明は、先の第１図およ
び第２図に示す発明に比べて、第３図（ｂ）の工程が不
要であることおよびシリコン薄板の厚さを精度よく制御
することができるという長所をもっている。また、本発
明においては、下部電極６と周辺回路８の間にも段差が
存在することになったが、先と同様にこれら下部電極６
と周辺回路８の配線をスルーホールを介してポリイミド
樹脂７を介して接続することにより、断線の問題を克服
することができた（図示せず）。

第７図および第８図は本発明の他の実施例を示す平面図
である。

図において、第１図および第２図と同一番号は同一構成
要素を示している。これらの実施しｕにおいて、破線で
示された複数の矩形７０は、ｉｔ図および第２図に示す
周辺回路８を除く振動体要素を示している。また、当該
振動体要素７０の上下面に形成された電極はアルミ配線
を介して周辺回路８の一部を接続されてｂる（図示せず
）。第７図および第８図の実施例に示すように当該振動
体要素７０を複数個並べたときには、超音波を前面の小
さな角度に強く放射したり、前面の小さな角度のみの超
音波を強く受信したりすることができ、同図の雑音に怒
らされることが少なくなるという特長がある。また、単
一の大きな面積全もつ片持ち梁構造と比較して、本実施
例に示すように小さな複数個の片持ち染に分割するとき
には、基本モード以外の高調波の信号全減少させること
ができるという利点があジ、これも同様に信号の雑音の
減少に役立つ。さらに、前記第３図［ｄ）の説明で述べ
たシリコンの異方性エツチングの技術を用いると、正確
に形状の等しい振動体要素７０を同時に形成することが
できるため、品質および製造に要する時間の点からも少
しも問題がないという特長がある。

ここに示した実施例の他にも中央の振動体要素７０の面
積を大きくとり、周辺に行くに従って、振動体要素７０
の面積を小さくした実施例もある（図示せず）。この場
合には、上記した指向性かさら１に改善され、雑音の少
ない高品質のデバイス全提供することができるという利
点がある。

第９図も本発明の他の実施例である。

図において、第７図と同一番号は同一構成要素を示して
いる。本発明の実施例においてＵ、振動体要素７０の土
面に形成された電極が各振動体要素７０ごとに分離して
配置されており、それぞれアルミ配線全弁して周辺回路
８に接続されていることに特徴がある。従って、本実施
例の構成をとる超音波トランスジー−サにおいては、各
振動体要素７０ごとに異なった強度および位相をもつ常
圧を印加することが可能となる。特に、各振動体要素７
０に異なった位相をもつ電圧を印加することにより、超
音波の送波および受波の方向を変化させることができ、
従って、電気的に走査を行なう高性能な超音波トランス
ジューサを提供できるという特長がある。この実施例に
おいては、振動体要素７０の土面の電極を各振動体要素
７０について分離したがこの外に、各振動体要素７０の
上面の電極を共通にして、各振動体要素７０の下面の第
二の電極（図示せず）を各振動体要素７０ごとに分離し
ても上と同様の効果をもつデバイス全実現することがで
きる。

第９図においては１行５列の超音波トランスジューサア
レイを示したが、振動体要素７０の個数について何ら制
限される必要はない。例えば、前記第８図の実施例にお
いて、振動体要素７０上面の電極を各振動体要素７０ご
とに分離して配置し、それぞれの電極を周辺回路８に接
続すると二次元の方向に電気的に走査するととのできる
二次元超音波トランスジー−サを実現することができる
。また、本実施例で述べた超音波トランスジー−サアレ
イにおいては、各振動体要素７０の上面電極は通常のＩ
Ｃプロセス技術を用いて同時にかつ容易に形成すること
ができるという点も従来技術に比べて大きな長所である
。

以上１本発明につめて例を挙は詳細な説明を行なった。

先に述べた振動体では一辺のみが基板に連結した所謂片
持ち染の構造であったが、この外に周囲の全ての辺が固
定されたダイアフラム構造に対しても本発Ｆ！Ａが成立
することは言うまでもない。

なお、本発明の構成は、信号として使用する超音波が連
続的に変化するか、あるいは−乃至数個の波長のみでパ
ルス的に変化するか等に関係なく成シ立つものである。

また、超音波の波長が単一かあるいは複数個等かにも関
係なく成ジ立つものである。また、本発明の実施例にお
いては、振動体の下の溝中に空気が閉じこめられていた
が、この構成の外に、溝の底に穴を開けて空気の流動を
可能とした構成もある。さらには溝穴の外側にスポンジ
等の音を吸収する物質を置く等の方法によシブバイスの
裏側の影響を少なくした構成、および振動体の前面にホ
ーン全配置して感度を高くした構成も本発明に含まれる
。

なお、上記実施例において振動体の面積を大きくしたり
、厚さを薄くしたりすることにょシ超音波の送波および
受波の感度を大きくすることができる。しかし、この場
合には、同時にデバイスの周波数特性等の変化が生ずる
ので、超音波センサを設計する際には、以上の効果を考
慮して、感度および周波数特性等を最適にするように振
動体の寸法を決めなければなら々い。

（発明の効果） 以上説明したとおり、本発明によれば、高性能かつ小型
軽量の空中用集積化超音波トランすジー一サを供給する
ことが可能となった。特に、ポリイミド樹脂を介して振
動体と集積回路の配＆Ｉを行ガうことによシ、従来しば
しば生じた配線の断線が著しく減少し、辺品の信頼性が
増大した効果は大きい。その結果、産業用ロボット等の
分野で近接覚等の検出釦高性能な超音波トランスジー−
サを利用することができるようになった。また、本発明
の超音波トランスジューサは従来のシリコンＩＣプロセ
ス技術と合致した製法で大量に製造することができるた
め、製造コストを低減することができる。これらの効果
は著しいものであり、本発明は有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の一実施例の平面
図および断面図、第３図は本発明の実施例を製造する方
法の一実施例を示す概念図％第４図は従来の超音波トラ
ンスジューサの断面図、第５図は従来の静電型トランス
ジー−サの原理図、第６図は本発明の他の実施例の断面
図、第７図および第８図は本発明の他の実施例を上から
見た図、第９図は本発明釦よる超音波トランスジー−サ
アレイの一実施例全土から見た図を示したものである。 １・・・・シリコン基板、２・・・・・・シリコンＩ＆
、３・・・・・・酸化膜、４・・・・・・圧電体薄膜、
５・・・・・・上部電極、６・・・・・・下部電極、７
・・・・・・ポリイミド樹脂、８・・・・・・周辺回路
、９，２１・・・・・アルミ配線、１０．１．１・・・
用スルーホール、１２・・・・・溝、２０・・・・・振
動体、　３０．３１・・・・・・開口穴、　３２．３３
・・・・・・コンタクト穴、４１・・・・・・金属ケー
ス、４２・・・・・プラスチックケース、４３・・・・
・・保穫スクリーン、４４．４５・・・・電極端子、４
６・・・・・・板バネ、４７・・・アルミ合金の板、４
８・・・・・・ポリエステルの膜、４９・・・・・電極
、５１・・・・・機械的要素、５１ａ・・・・振動板、
５１　ｂ・・・・固定板、５２・−・・電気的要素％５
３・・・・・バイアス電圧、５４・・・・・・抵抗、５
５・・・・発信および受信回路、６１．６２・・・・・
・高濃度ボロン層、７ｏ・・山・振動体要素。 代理人方理±　１１１　　原　　晋（？い４−゛第３　
図 ヨρ （ｆ） 第３図 （１′ン トギーーーーーーー畳 心６図 第７図 筋ｄ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電体より成る薄膜と、該薄膜の両側の主面に形成した
   第一および第二の電極と、該第二の電極を挿んで当該薄
   膜と連結し、かつ、少なくとも一辺がシリコン基板と連
   結している矩形のシリコン薄板と、当該シリコン基板上
   に作製された周辺回路とを備え、当該シリコン薄板が高
   濃度のボロン不純物を含み、前記電極のうち少なくとも
   第一の電極と前記周辺回路が該電極と該周辺回路の上に
   塗布されたポリイミド樹脂に開けられたスルーホールを
   介して接続されていることを特徴とする超音波トランス
   ジューサ。