JPS63237699A

JPS63237699A - 超音波トランスジユ−サ

Info

Publication number: JPS63237699A
Application number: JP7024287A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki; 健一郎鈴木
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1988-10-04
Also published as: JPH0547160B2

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ューサに関するものであり、
例えば産業用ロボットの近接覚の検出や自動車のバック
センサ等に利用することのできる高性能かつ小型軽量の
静電型超音波トランスジューサの構造に関するものであ
る。

（従来の技術）従来、産業用ロボットの分野においては対象物体が透明
であるときやセンサと対象物体どの間の媒体が塵等で汚
れているとき等に用いることができないという欠点があ
る。従って、近年、可視光にかわって超音波を対象物体
の認識に利用しようとする技術が登場した。超音波トラ
ンスジューサにおいては、一つあるいは複数個のデバイ
スにより超音波の送波および受波を行なうので、超音波
の発信および受信を行う機械的要素とこれを助ける発振
回路、受信回路等の電気的要素をうまく組み合わせて構
成する必要がある。特に、ある面を振動させて空気中に
超音波を放射しようとするとき、その面に対する空気の
手ごたえ（音響インピーダンス）は液体や固体に比べて
非常に小さいので、大きな強度をもつ超音波の放射が困
難である。

従って、先に述べた機械的要素において効率よく超音波
が放射されるように設計することはもちろん、電気的要
素においても増幅補償回路により小信号を補償して受信
する等の工夫が必要である。

しかし、現在一般に用いられている超音波トランスジュ
ーサは、この機械的要素の特性のデバイス・′！ため、装置の小型軽量化矛困難であるという欠点も有し
ていた。以下、従来例を図をあげて説明し、同時にその
欠点について述べる。

第４図は従来の超音波トランスジューサの構成例の断面
を示す図である。図中４７は、円形°のアルミ合金の板
で、表面に数〜数十ｐｍの深さを持つ複数個の穴１０１
が機械加工により形成されている。この穴１０１の上面
には、厚さ約１２ｐｍ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により挾まれて固定され
ている。アルミ合金の板４７の表面とポリエステルの膜
４８の下面とは点接触しているだけである。ポリエステ
ルの膜４８の表面は、アルミ合金の板４７と接する面と
反対の側の表面に、金箔等による電極４９が蒸着されて
いる。図中の４３は保護スクリーンで金属ケース４１に
固定されており、ポリエステルの膜４８が外部より破損
されるのを防いでいる。一方、アルミ合金の板４７の裏
面には、金属よりなる板バネ４６が取りつけられており
、アルミ合金の板４７を金属ケース４１に押しつけてい
る。また、板バネ４６はプラスチックケース４２に固定
されている。４４．４５は電極端子で、４４は板バネ４
６と一体に構成されており、一方、４５は金属ケース４
１と一体に構成されている。従って、電極端子材の電位
は、板バネ４６を介してアルミ合金の板４７と等しく、
一方、電極端子４５の電位は、金属ケース４１を介して
電極４９と等しいことになる。

第５図は、前記第４図で述べた静電型超音波トランスジ
ューサの原理を示す図で、振動をおこす機械的要素５１
とこれ以外の電気的要素５２から構成されている。機械
的要素５１は振動板５１ａと固定板５１ｂから構成され
ており、例えば第４図に示す構造をもつ。一方、電気的
要素５２は、超音波の送波の場合にはバイアス電圧５３
、抵抗５４、発振回路５５がら構成される。今、発振回
路５５から信号が生じていないときには、振動板５１ａ
はバイアス電圧５３により固定板５１ｂに引かれ撓んで
いる。続いて、発振回路５５にバイアス電圧５３よりも
振幅の小さい交流電圧を印加した場合には、発振回路５
５の両端の電圧の極性により以下のように変化する。す
なわち、発振回路５５の両端に印加された電圧の極性が
バイアス電圧５３と同じときには、これら電圧の和に等
しい電位差が振動板５１ａと固定板５１ｂに加わるため
に振動板５１ａの撓みは大きくなる。一方、発振回路Ｉ
５５の電圧の極性がバイアス電圧５３と逆の場合には、
これらの電圧の差に等しい電位差が振動板５１ａと固定
板５１ｂに加わるために、振動板５１ａの撓みは小さく
なる。従って、発振回路５５により発振回路の両端の電
圧を周期的に変化させるとき、振動板５１ａが振動し、
超音波が前面に放射される。なお、抵抗５４は、振動板
５１ａと固定板５１ｂの間で放電等が生じた場合に、回
路に大きな電流が流れないように回路を保護する機能を
もっている。以上超音波の送波の場合について述べたが
、受渡の場合には、第５図の５５を増幅補償等を行う受
信回路とすれば良い。このとき、外部から侵入した超音
波により、振動板５１ａが振動して、振動板５１ａと固
定板５１ｂの間の容量が変化する。従って、受信回路５
５に交流電流が流れ、これを増幅補償してやることによ
り超音波の受渡が可能となる。

（発明が解決しようとする問題点）以上、例を用いて従来の静電型超音波トランスジューサ
の説明を行った。この中で、第４図に示す穴１０１を加
工する際に、従来の機械加工による方法では穴の寸法や
形状に若干のばらつきを避けるこで、その寸法や外形が
ばらつくときには、振動板５１ａを駆動する力がばらつ
き、結局、超音波の送受波緒特性が一定にならないとい
う欠点があった。

また、ポリエステルの膜４８（第４図）の厚さを薄くす
るとき、膜中に微小な穴が製造上発生するため、高いバ
イアス電圧５３（第５図）により、電極４９とアルミ合
金の板４７との間に放電が生じて、デバイスの特性が劣
化するということがしばしば起こった。このため、ポリ
エステルの膜４８の厚さが制限され、設計の自由度が制
約されるという困難があった。

さらに、先に述べたように、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、従来の構造を用いて、さらに高性能の
デバイスを実現しようとすると、ますますこの電気的要
素の占める領域が大きくなり、装置が大型なものになる
という傾向があった。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。このように、従来し、特性
が均一でしかも、高感度、小型軽量、耐環境性の良い超
音波トランスジューサを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、金属薄膜よりなる第一の電極と表面に
穴を有する半導体基板の表面上に設けられた第二の電極
とを備えた超音波トランスジユーザにおいて、当該第一
の電極と尚該第二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表
面に固着するように設けたことを特徴とする超音波トラ
ンスジューサ、および、金属薄膜よりなる第一の電極と
表面に穴を有する半導体基板の表面上に設けられた第二
の電極とを備えた超音波トランスジューサにおいて、当
該第一の電極と当該第二のｔｇとの間に絶縁膜を第二の
電極表面に固着するように設けた超音波トランスジュー
サを複数個アレイ状に配置し、個々の超音波トランスジ
ューサの前記第二の電極に互いに独立の電気信号が入出
力できるようにしたことを特徴とする超音波トランスジ
ューサ集積化を可能とした静電型超音波トランスジュー
サであり、第２図に示すように弾性振動体である金属膜
１０が、シリコン基板１上に設けられたＣＶＤ５１０２
膜３の上下の電極に加えられた電位差の変化に従って上
下に可動することにより、超音波が送波される。一方、
このデバイスを超音波の受渡に用いる場合には、外部超
音波の圧力により上記金属膜１０が振動し、この結果、
上記ＣＶＤＳｉＯ２膜３の上下の電極間の静電容量が変
化することを利用して、外部超音波の圧力を（バイアス
電圧が印加された）電気回路に流れる電流値の変化とし
て検出することが可能である。この際、トランスジュー
サの送受波特性の感度を大きくするために、、上部電極
となる金属膜１０とシリコン基板１上に設けられた下部
電極６との距離を小さくすることが必要となる。

本発明では、第２図に一例として示すように、下部電極
６の表面にうすい絶縁膜を酸化、ＣＶＤ、スパッタ、塗
布などで固着させることにより、上部電極となる金属膜
１０と下部電極６との絶縁を良好に保ちを開けることが
でき、製造プロセスから生ずるデバイス特性のばらつき
を抑えることが可能、（２）発振回路および受信回路を
半導体ＩＣプロセス技術を用いて集積化することができ
、従って高性能超音波トランスジューサを小型軽量に製
造することが可能となった。

（実施例）以下、実施例として、超音波トランスジューサの一種で
ある静電型空中超音波トランスジューサについて図面を
参照して説明する。

第１図および第２図は、本発明の一実施例を示すもので
あり、それぞれ平面図および断面図に対応している。本
実施例に示す金属膜工０は、超音波の送波および受波を
行う振動膜として働くと同時に、電気的に上部電極とし
ての機能を併せ持っている。金属膜１０の材料として、
金、アミル等の薄膜を利用することができるが、特に比
重が小さいことからチタンの薄膜が望ましい。従って本
実施当該チタン膜１０′　の下面に設けられたＣＶＤ５
１０２膜３の両側には、上部電極としてのチタン膜１０
’　および下部電極６が配置されていて、送波のときは
交流電圧を印加してチタン膜１０’　を振動させる。受
渡のときはチタン膜１０′　が振動することによって電
圧が発生する。当該シリコン基板１の一方の主面には、
第２図に示すように当該下部電極６と当該上部電極とし
てのチタン膜１０′　　との間にＣＶＤ５ｉＯ□膜３が
設けられている。これは、チタン膜１０′　　と下部電
極６との間の電気的絶縁を保つのに役立つ。さらに、当
該ＣＶＤＳｉＯ２膜３の厚さを１μｍ程度としたとき、
上部電極となる金属膜１０と下部電極６との空間的距離
も１１１ｍ程度となり、従来、第４図に示すように両者
の電極４９および４７との間の距離がポリエステルの膜
４８の厚さく約１２ｐｍ）程度であったのに比べて、大
幅に電極間の距離を減少させることができるという利点
がある。チタン膜１０′　に働く静電的な力は、上部電
極となる金属膜１０および下部電極６との間の距離の二
乗にほぼ反比例するため、本発明による構成により電極
間の距離を減少させるこ下部電極６とシリコン基板１の
間に電流が漏れるのを防いでいる。下部電極６は、これ
もＣＶＤ５１０２膜３の上におかれたアルミ配線（図示
せず）を介してシリコン基板Ｊ宋作製された駆動および
受信のための集積回路８と電気的に接続している。また
、前記エツチング穴１．２は、寸法および形状を精度良
く仕上げるために、例えばシリコンの異方性エツチング
技術を応用して作製する。これは、例えば、主面を（１
００）方向に持つシリコン基板工の一方の面に、−辺が
＜１１０＞方向に目合せされた複数個の正方形のＳｉ、
０２膜のパターンをフォトリソグラフィ技術を用いて形
成した後、試料をヒドラジン等の異方性エツチング液中
に浸して行う。この場合には、ピラミッド型の四角錐の
形状をしたエツチング穴１２ができた段階で、シリコン
のエツチングが自動的に停止するという特長がある。ま
た、先に述べたように、フォトリソグラフィ技術を用い
てエツチング穴１２の形状を作製するために、微細な形
状を高い精度で形成することができること、さら第３図
は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジューサを製
造する手順の一例を示したものである。図において、先
に本発明の一実施例として示した第１図および第２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を酸化炉に入れてそ
の表裏に８１０２膜２０をつけたものにフォトリングラ
フィ技術を用いて前記第１図のエツチング穴１２と同じ
形状の一辺が数十ｐｍの長さの正方形の開口３０を形成
したものである。開口３０を形成する際には、第１図の
エツチング穴１２の辺が＜１１０＞方向に向くように配
置する必要がある。この試料をＦＤＰ（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う（同図（ｂ）
）。

ＥＤＰ、ヒドラジン等の水溶液は、シリコンの（１１１
）面に対するエツチング率に比べて（１００）面に対す
るエツチング率が著しく大きいという性質（異方性）を
もっている。従って、同図（ａ）の試料を前記水溶液に
浸すことにより、同図（ｂ）に示すエツチング穴１２を
作製することができる。続いて、エッチン凹穴１２にＳ
ｉＯ２膜２０全２０るために試料を再び酸化炉に入れ、
その後、通常のシリコンＩＣプロセス技術を用いて、送
受信用の集積回路８を形成する（同図（Ｃ））。続いて
下部電極６およびこれと集積回路８とを接続する配線（
図示せず）となるアルミ薄膜を蒸着等によりＳｉＯ２膜
２０上２０上した後、試料をＣＶＤ炉に入：ｊ’Ｌ　Ｃ
ＶＤＳｉＯ２膜３を形成する（同図（ｄ））。

下部電極６は、５１０２膜２０との接合を良くするため
にＣｒの下地にＡｕを上においたものが望ましいが、必
らずしもこれに限定されることなく、アルミ等の金属で
代用しても良い。この後、厚さ数ｐｍのチタン膜１０′
　をＣＶＤ５１０２膜３に接着した後、デバイスをパッ
ケージに実装する（同図（ｅ））。

第６図および第７図は本発明の他の実施例を示す平面図
である。図において、第１図および第２図と同一番号は
同一構成要素を示している。これらの実施例において、
破線で示された矩形７０は、第１図および第２図に示す
同一下部電極上に含まれる要素を示している。ただし集
積回路８は含まれない。また、当該振動体要素７０の上
下面に形成された電極はアルミ配線を介して周辺回路８
の一部と接続されたりすることができ、周囲の雑音に惑
わされることが少なくなるという特徴がある。また、先
に述べたシリコンの異方性エツチングの技術を用いると
、正確に形状の等しい振動体要素７０を同時に形成する
ことができるため、品質および製造に要する時間の点か
らも少しも問題がないという特長がある。ここに示した
実施例の他にも、中央の振動体要素７０の面積を大きく
とり、周辺に行くに従って振動体要素７０の面積を小さ
くした実施例もある（図示せず）。この場合には、上記
した指向性がさらに改善され、雑音の少ない高品質のデ
バイスを提供することができるという利点がある。

第８図は、本願第２の発明の実施例の平面図を示したも
のである。図において、第６図と同一番号は同一構成要
素を示している。本発明の実施例においては、振動体要
素７０に形成された下部電極６が互いに分離して配置さ
れており、それぞれアルミ配線を介して周辺回路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、電気的に走査を行う高性能な超音
波トランスジューサを提供できるという特徴がある。

第８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
限する必要はない。例えば前記第７図の実施例において
、振動体要素７０上下面の電極を各振動体要素７０ごと
に分離して配置し、それぞれの電極を周辺回路８に接続
すると二次元の方向に電気的に走査することのできる二
次元超音波トランスジューサを実現することができる。

また、本実施例で述べた超音波トランスジューサアレイ
においては、各振動体要素７０の下面電極は通常のＩＣ
プロセス技術を用いて同時にかつ容易に形成することが
できるという点も従来技術に比べて大きな長所である。

なお下部電極が分離された実施例において、一つの振動
体要素７０は第１図、第２図に示したようない。

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行った。な
お、本発明の構成は、信号として使用する超音波が連続
的に変化するか、あるいは−及至数個の波長のみでパル
ス的に変化するか等に関係なく成り立つものである。ま
た、超音波の波長が単一かあるいは複数個かにも関係な
く成り立つものである。また、本発明の実施例において
は、振動体の下の穴中に空気が閉じこめられていたが、
この構成の他に、穴の底に開口穴を開けて空気の流動を
可能とした構成もある。さらには、穴の外側にスポンジ
等の音を吸収する物質を置く等の方法によりデバイスの
裏側の影響を少なくした構成、および振動体の前面にホ
ーンを配置して感度を高くした構成も本発明に含まれる
。

なお、上記実施例において振動に寄与する金属膜の面積
を大きくしたり、厚さを薄くしたりすることにより超音
波の送波および受波の感度を大きくすることができる。

さらに、金属膜と下部電極との間のＣｖＤＳｉｏ２膜３
を薄くすることによっても感°以上の効果を考慮して、
感度および周波数特性や電気音響変換効率等を最適にす
るように振動１体及びＣＶＤ５１０２膜３の寸法を決め
なけれｉｆならない。

なお前記実施例では金属膜１０としてチタン膜１０′　
を使ったが本発明はこれに限られるものではない。また
第２図のＣＶＤ５１０２膜３もこれに限らず、Ｓｉ３Ｎ
４．５ｉＯ２Ｎｙ、ポリイミドなど下部電極６表面にＣ
ＶＤ、スパッタ、塗布などの方法で薄膜状に固着できる
ものならば使うことができる。

（発明の効果）以上説明したとおり、本発明によれば特性のばらつきが
少なく高感度、小型軽量で、しがも耐環境性の良い集積
化超音波トランスジューサを供給することが可能となっ
た。特に、振動膜として従来のポリエステル膜に替えて
、金属膜を利用することから、温度、湿度等に対する耐
環境性の良好なデバイスを供給することが可能となった
。その結果、産業用ロボット等の分野で近接覚等の検出
に高性能な超音波トランスジューサを利用することがで
きるようになった。また、本発明の超音波ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本願第１の発明の一実施
例の平面図および断面図、第３図（ａ）〜（ｅ）は本願
第１の発明の実施例を製造する方法の一実施例を示す概
念図、第４図は従来の超音波トランスジューサの断面図
、第５図は従来の静電型トランスジューサの原理図、第
６図および第７図は本願第１の発明の他の実施例を示す
平面図、第８図は本願第２の発明による超音波トランス
ジューサアレイの一実施例を示す平面図。１・・・シリコン基板、３・・・ＣＶＤ５１０２膜、６
・・・下部電極、８・・・集積回路、１０・・・金属膜
、１０’・・・チタン膜、１２・・・エツチング穴、２
０・・・５１０２膜、３０・・・開口、４１・・・金属
ケース、４２・・・プラスチックケース、４３・・・保
護スクリーン、４４．４５・・・電極端子、４６・・・
板バネ、４７・・・アルミ合金の板、４８・・・ポリエ
ステルの膜、４９・・・上部電極、５１・・・機械的要
素、５１ａ・・・振動板、５１ｂ・・・固定板、５２・
・・電気的要素、５３・・・バイアス電圧、５４・・・
抵抗、１・・発信および受信回路、７０・・・振動体要
素。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属薄膜よりなる第一の電極と表面に穴を有する
半導体基板の表面上に設けられた第二の電極とを備えた
超音波トランスジューサにおいて、当該第一の電極と当
該第二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表面に固着す
るように設けたことを特徴とする超音波トランスジュー
サ。
（２）金属薄膜よりなる第一の電極と表面に穴を有する
半導体基板の表面上に設けられた第二の電極とを備えた
超音波トランスジューサにおいて、当該第一の電極と当
該第二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表面に固着す
るように設けた超音波トランスジューサを複数個アレイ
状に配置し、個々の超音波トランスジューサの前記第二
の電極に互いに独立の電気信号が入出力できるようにし
たことを特徴とする超音波トランスジューサ。