JPS63237700A - 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室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間ばらつきが
かなり大きく、必らずしも最適に設計されているとは言
えなかった。さらに、機械的要素と電気的要素とが一体
の構造にされていないため、装置の小型計量化が困難で
あるという欠点も有していた。以下、従来例を図にあげ
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により挟まれて固定されて
いる。アルミ合金の板４７の表面とポリエステルの膜４
８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、必は板バネ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、電極端子具の電位は、
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かり固定板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５
３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５５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
行なう受信回路と閃れば良い。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ｍ５１ｂの間の容量が変化する。従って、
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とができなかった。こ
の穴１０１は、第５図に示す振動Ｆｉ５１ａと固定板５
１ｂの間の間隙に対応するもので、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なめ、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。

１　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入合せは必要
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、従来の技
術では、さらに高性能のデバイスを作製しても、デバイ
スの小型軽量化をはかることができないという欠点があ
った。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し、特性が
均一でしかも、高感度、小型軽量の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、一方の面に第一の電極を有する有機体
薄膜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、および、一方の面に第一の
電極を、有する有機体薄膜と表面に穴を有する半導体基
板１つ□４．よ１．、ゎえやユ。９１□えヵ□８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一及び第二の
電極側の少なくとも一方の側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
トランスジューサが得られる。

（作用） 本発明の超音波トランスジューサは、シリコン等の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有機体薄膜工０が、シリコ
ン基板ｌ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
り上記有機体薄膜１０が振動し、この結果、上記ＣＶＤ
５ｉＯ□膜３の上下の電極間の静電容量が変化する縁膜
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４９と下部電極６との絶縁を良好に保
ちつつ、両者の距離を減少させることを可能とした。ま
た、本発明の超音波トランスジューサは、半導体基板を
用いるため、（１）半導体の微細エツチング加工技術を
用いて半導体基板上に精度良く穴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Ｐいて図面を参
照して説明する。

している。本実施例の超音波の送波および受波を行うポ
リエステル膜等の有機体薄膜１０の下面には、金、アル
ミ等の上部電極４９が蒸着されている。この有機体薄膜
１０は、シリコン基板１に開けられた未貫通のエツチン
グ穴１２の上で上下に振動し波のときは有機体薄膜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４９との間にＣｖＤＳｉＯ２膜３
が設けられている。

これは、上部電極４９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ｌｐｍ程度としたとき、上部電極４９と下部電極
６との空間的距離もｌｐｍ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−よる構成に
より、電極間の距離を減少させることができ、この結果
、デバイスの送受波特性の感度を大きくすることができ
る。なお下部電極６とシリコン基板１の間にもＳｉＯ□
膜２０が挿入されており、下部電極６とシリコン基板ｌ
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。ま
た、前記エツチング穴１２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１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ＳｉＯ
２膜のパターンをフォトリン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
、先に述べ一度に多量の試料を処理することができると
いう利点がある。

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
ソ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１０μｍの長さの正方形の開口３
０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ＥＤＰ（エチレ
ンジアミンピロカテコール）あるいはヒドラジン等の水
溶液に浸して、シリコンの異方性エツチングを行う（同
図（ｂ））。

ＦＤＰ、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（異方グ穴１
２に８１０２膜２０をつけ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Ｓｉ
Ｏ□膜２０膜上０形成した後、試料をＣＶＤ炉に入れＣ
ＶＤ５１０２膜３を形成する（同図（ｄ））。下部電極
は、５ｉＯ９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、上部電極４９を蒸着した有機体薄膜１０
をＣｖＤＳｉｏ２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１図および第２図に示した本発明の一実施例では、上
部電極４９がＣＶＤ５ｉＯ□膜３に直接接触した構成が
示されている。一方、この上部電極４９と有機体薄膜１
０との位置関係を逆転させ、従来例の第４図と同様にし
た構成も本発明に含まれる。この場合、先の本実施例に
比べて感度が低くなるという欠点があるが、有機体薄膜
１０と下部電極６との間に設けたＣＶＤＳｉ○２膜３に
より、上部電極４９と下部電極６とをさらに薄くできる
ので感度を高くすることができる。また有機体薄膜の厚
さを厚くも薄くもできることから設計の自由度が増大す
るという利点が生ずる。

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
の一部と接続されている（図示せず）。第６図および第
７図の実施例に示すように当該振動体要素７０を複数個
並べたときには、超音波を前面の小さな角度に強く放射
したり、前面の小さな角度のみの超音波を強く受信した
りすることができ、周囲の雑音に惑わされることが少な
くなるという特徴がある。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−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
成をとる超音波トランスジューサにおいては、各振動体
要素７０ごとに異なった強度および位相をもつ電圧を印
加することが可能となる。特に、各振動体要素７０に異
なった位相をもつ電圧を印加することにより、超音波の
送波および受波の方向を変化させることができ、従って
、電気的に走査を行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各振動体要素７０の上面の
電極４９を各振動体要素７０ごとに分離しても上と同様
の効果をもつデバイスを実現することができる。第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。

なお下部電極あるいは上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
ような複数のエツチング穴を持つものとして説明したが
これに限らず第１図、第２図中のエツチング穴−個が一
つの振動体要素に対応する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
体の下の大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有機体薄膜の
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、有機体薄膜と下部電極との間のＣｖＤＳｉ
０２膜３を薄くすることによっても感度を増大させるこ
とが可能である。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
設計すらない。

なお前記実施例では絶縁膜として第２図に示すＣＶＤ５
１０２膜３を用いたが、コレニ限らず、５１３Ｎ４．５
ｉＯ１Ｎｙ、ポリイミドなど下部電極６表面にＣＶＤ　
。

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、かつ小型軽量の集積化超音波トランスジ
ューサを供給することが可能となった。その結果、産業
用ロボット等の分野で近接室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
。薫な、本発明の超音波トランスジューサは従来の半導
体ＩＣ製造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図はそれぞれ本願第１の発明の−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・・・有機体
薄膜、１２・・・エツチング穴、２０”・５ｉＯｚ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、■、４
５・・・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、５５・・・発信お
よび受信回路、７０・・・振動体要素。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜と表面
   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. （２）前記特許請求の範囲（１）に記載された超音波ト
   ランスジューサにおいて、前記第一の電極を前記酸化膜
   に直接接するように配置したことを特徴とする超音波ト
   ランスジューサ。
3. （３）一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜と表面
   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
   サの前記第一及び第二の電極側の少なくとも一方の側の
   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。