KR102033527B1 - 초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치 - Google Patents

초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치 Download PDF

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Abstract

200㎒ 이상의 주파수의 초음파를 송신 가능한 초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치를 용이하게 형성 가능하게 한다. 그로 인해, 초음파 탐촉자(4)를 구성하는 적층 압전 소자(40)는, 하부 전극(42)과 상부 전극(49) 사이에 적층 압전체막(48)을 형성하여 이루어지는 적층 압전 소자(40)를 구비하고 있다. 적층 압전체막(48)은, 막면에 대하여 실질적으로 수직인 방향의 자발 분극을 갖는 ZnO막(43) 위에 ZnO와는 상이하며, 또한 ZnO와는 반대 방향의 자발 분극을 갖는 ScAlN막(44)이 직접 형성되어 있다.

Description

초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치
본 발명은 초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치에 관한 것이다.
최근들어 휴대 전화를 비롯한 컨슈머 제품의 경박단소화에 수반하여, 전자 부품은 소형화되고, 패키지도 다양화, 복잡화되어 왔다. 이들 패키지 내부의 크랙이나 박리, 보이드(공극)를 검출하여 신뢰성을 확보하기 위하여, 초음파에 의한 비파괴 검사가 행하여지고 있다.
이 비파괴 검사는 초음파 검사 장치를 사용하여 행하여지고, 이 초음파 검사 장치로 검사 대상에 대향시켜 초음파의 송수신을 행하는 것을 초음파 탐촉자라고 한다. 초음파를 검사 대상에 조사하면 검사 대상의 표면 및 내부의 계면에서 투과와 반사를 일으키면서 검사 대상 내부로 전반한다. 각 계면에서의 반사율, 투과율은 계면 전후의 재료에 따라 상이하고, 각 계면으로부터의 반사파는 초음파 탐촉자로부터의 거리에 따른 지연과 계면 전후의 재료에 의존하는 강도를 갖고 초음파 탐촉자에 되돌린다. 따라서 초음파를 송신하고 나서 소정 시간 후에 되돌아 오는 초음파를 수신하여, 반사 강도에 따른 밝기의 화소를 표시한다는 작업을 검사 대상 상에서 초음파 탐촉자를 주사하면서 행하면, 검사 대상의 주목하고 있는 계면에 있어서의 반사 강도 분포 화상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 보이드의 부분에서 초음파는, 거의 100％ 반사되어, 반사 강도 분포 화상 상에서 주위와 명확한 차이가 난다. 그로 인해, 검사 대상 내의 보이드를 검출할 수 있다.
검사 대상이 되는 전자 부품의 진화에 수반하여, 보다 작은 결함도 검출할 수 있는 고주파용 초음파 탐촉자가 요구되고 있다. 여기서 고주파란, 예를 들어 200㎒ 이상의 주파수의 초음파를 의미한다.
일반적으로 초음파 검사는 초음파를 전반시키기 쉬운 물에 검사 대상을 침지하여 행하여지지만, 고주파가 되면 수중이나 검사 대상 중에서의 초음파의 감쇠가 커진다. 그로 인해, 고주파의 초음파의 S/N비를 높일 필요가 있다. S/N비를 높이는 방법으로서, 송수신 계측기와 초음파 탐촉자 내의 압전 소자 사이에서 전기적 임피던스 정합을 취하는 방법이 있다.
압전 소자는, 압전 재료를 전극 사이에 끼워 넣은 구조를 갖고, 전기 회로적으로는 용량 소자와 동일하게 취급할 수 있다. 그로 인해, 압전 소자의 임피던스는 전극 면적에 반비례하고, 압전 재료의 막 두께에 비례하는 점에서, 전극 면적을 작게 하는 방법이나 막 두께를 두껍게 하는 방법에 의해, 임피던스를 크게 할 수는 있다. 여기서, 200㎒ 이상의 고주파용의 압전 소자의 임피던스 정합을 취하려고 하면, 전극 면적을 작게 할 필요가 있지만, 이 방법으로는, 초음파의 방사 면적이 작아져, 현실적이지 않다. 막 두께를 두껍게 하는 방법으로는, 압전 소자의 공진 주파수는 압전 재료의 막 두께에 반비례하기 때문에, 원하는 고주파를 발진할 수 없게 된다. 이렇게 고주파용 압전 소자에서는 주파수와 임피던스 정합은 상반된 관계에 있다.
주파수와 임피던스 정합이 상반된 관계에 있다는 문제를 피하기 위하여, 고차 모드의 공진을 사용하는 방법이 특허문헌 1에 기재되어 있다. 특허문헌 1에는, 분극 방향이 기판에 대략 평행하고 서로 반대 방향이 되는 압전막을 1차 모드의 공진 주파수가 얻어지는 막 두께로 복수 적층하여, 적층수만큼의 고차 모드 공진을 시키는 기술이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2007-36915호 공보
특허문헌 1에 기재된 기술은, 서로 반대 방향의 분극을 갖는 동일 재료의 적층 압전체막에 관한 것이다. 동일 재료로 압전체막을 성장시키면, 하지층의 분극 방향을 이어받아, 그 위의 층이 성장하는 성질이 있다. 그로 인해, 분극 방향을 갖는 압전체막을 성장시킬 때, 도중부터 분극 방향을 반대 방향으로 하여 성장시키는 것은 매우 어렵다. 또한, 이러한 적층 압전체막의 성막 속도는 느리다.
200㎒ 이상의 공진 주파수를 갖는 압전체의 막 두께는, 압전 재료에 따라서도 다르지만 수㎛이다. 고차 모드 공진을 사용하는 경우, 수㎛의 압전체를 복수층 형성할 필요가 있는 점에서, 성막 속도가 느리면 제품에 대한 적용이 어렵다. 또한, 접합에 의해 압전체막을 제작하는 것도 생각할 수 있지만, 수㎛의 막 두께의 압전체를 깨지지 않도록 접합하는 것은, 성막에 의한 형성과 마찬가지로 매우 곤란하다.
그래서, 본 발명은 전극 면적을 작게 하지 않고 임피던스 정합 상태를 개선하여, 200㎒ 이상의 주파수의 초음파를 송신 가능한 초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치를 용이하게 형성 가능하게 하는 것을 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 초음파 탐촉자는, 하부 전극과 상부 전극 사이에 적층 압전체막을 형성하여 이루어지는 압전 소자를 구비한다. 상기 적층 압전체막은, 막면에 대하여 실질적으로 수직인 방향의 자발 분극을 갖는 제1 압전 재료를 포함하는 제1 압전체층 위에 상기 제1 압전 재료와는 상이하며, 또한 상기 제1 압전 재료와는 반대 방향의 자발 분극을 갖는 제2 압전 재료로 구성되는 제2 압전체층이 직접 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
그 밖의 수단에 대해서는, 발명을 실시하기 위한 형태 중에서 설명한다.
본 발명에 따르면, 전극 면적을 작게 하지 않고 임피던스 정합 상태를 개선하여, 200㎒ 이상의 주파수의 초음파를 송신 가능한 초음파 탐촉자 및 초음파 검사 장치를 용이하게 형성 가능하게 할 수 있다.
도 1은 초음파 검사 장치의 일부의 외관을 도시하는 사시도이다.
도 2는 초음파 검사 장치를 도시하는 개략의 블록도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 초음파 탐촉자에 사용되는 적층 압전 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4는 ScAlN층을 사용한 단층 압전 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 5는 ZnO층을 사용한 단층 압전 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 6은 단층 압전 소자의 측정을 도시하는 도면이다.
도 7은 ScAlN층과 ZnO층의 전기 신호의 파형도이다.
도 8은 단층 압전 소자와 적층 압전 소자의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 제2 실시 형태에 있어서의 적층 압전 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 10은 제3 실시 형태에 있어서의 적층 압전 소자의 구성을 도시하는 단면도이다.
이후, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 각 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 초음파 검사 장치(1)의 외관을 도시하는 사시도이다.
초음파 검사 장치(1)는 3축 스캐너(2)(주사 수단)와, 초음파 탐촉자(4)와, 이 초음파 탐촉자(4)를 보유 지지하는 홀더(3)를 구비하고 있다. 3축 스캐너(2)는 x축 스캐너(21), y축 스캐너(22), z축 스캐너(23)를 포함하여 구성된다. z축 스캐너(23)는 x축 스캐너(21)에 설치되고, x축 스캐너(21)는 y축 스캐너(22)에 설치되어 있다. 이 3축 스캐너(2)는 평면상의 검사 대상(6)에 대하여 초음파 탐촉자(4)의 높이를 조정하여 이차원으로 주사한다. 이에 의해 초음파 검사 장치(1)는 평면상의 검사 대상(6)을 초음파에 의해 영상화할 수 있다.
초음파 탐촉자(4)는 홀더(3)에 의해 3축 스캐너(2)에 설치되어 있다. 이 3축 스캐너(2)는 초음파 탐촉자(4)를 이차원으로 주사함과 함께, 그 주사 위치를 검지한다. 이에 의해, 초음파 검사 장치(1)는 각 주사 위치와 에코파의 관계를 이차원으로 영상화할 수 있다.
또한, 검사 대상(6)은, 수조(8)에 넣어진 초음파를 전반시키는 액상의 매질(7)(물이 일반적)에 침지되고, 초음파 탐촉자(4)의 선단이 검사 대상(6)에 대향하도록 배치된다.
수조(8)를 x축 스캐너(21)와 y축 스캐너(22)의 동작 범위보다도 조금 크게 함으로써, 수조(8) 내의 임의의 위치에 설치된 검사 대상(6) 상에서 초음파 탐촉자(4)를 주사하는 것이 가능해진다. 초음파 탐촉자(4)의 선단과 검사 대상(6)의 표면의 거리는, z축 스캐너(23)로 임의로 조정할 수 있다.
도 2는 초음파 검사 장치(1)를 도시하는 개략의 블록도이다.
초음파 검사 장치(1)는 초음파 탐촉자(4), 3축 스캐너(2), 홀더(3), 펄스 전압 발생 장치(52), 프리앰프(53), 리시버(54), A/D 변환기(55), 제어 장치(56), 신호 처리 장치(57), 화상 표시 장치(58)의 각 부를 포함하여 구성된다.
펄스 전압 발생 장치(52)는 소정의 주사 위치마다 신호를 출력한다. 이 신호는, 예를 들어 임펄스파나 버스트파의 전기 신호이다.
프리앰프(53)는 펄스 전압 발생 장치(52)의 신호에 의해 초음파 탐촉자(4)에 초음파를 출력시킨 뒤, 초음파 탐촉자(4)가 수신한 신호를 증폭시켜 리시버(54)에 출력한다. 리시버(54)는 입력된 신호를 더욱 증폭시켜 A/D 변환기(55)에 출력한다.
A/D 변환기(55)에는, 리시버(54)를 통하여 검사 대상(6)으로부터 반사된 에코파가 입력된다. A/D 변환기(55)는 이 에코파의 아날로그 신호를 게이트 처리한 뒤에 디지털 신호로 변환하여, 제어 장치(56)에 출력한다.
제어 장치(56)는 이 3축 스캐너(2)를 제어하여 초음파 탐촉자(4)를 이차원으로 주사하여, 초음파 탐촉자(4)의 각 주사 위치를 취득하면서 검사 대상(6)을 초음파로 측정한다. 제어 장치(56)는 예를 들어 X축을 주주사 방향, Y축을 부주사 방향으로 하고, 처음에는 Y축의 시점 위치로 초음파 탐촉자(4)를 이동시킨다. 다음에 제어 장치(56)는 초음파 탐촉자(4)를 주주사 방향이면 또한 왕로 방향으로 이동시켜 홀수번 라인의 초음파 정보를 취득하고, 부주사 방향으로 1스텝만큼 이동시킨다. 제어 장치(56)는 또한, 초음파 탐촉자(4)를 주주사 방향이며 또한 복로 방향으로 이동시켜 짝수번 라인의 초음파 정보를 취득하고, 부주사 방향으로 1스텝만큼 이동시킨다.
초음파 탐촉자(4)에는, 각 주사 위치에서 펄스 전압 발생 장치(52)로부터 프리앰프(53)를 통하여 고주파 신호가 인가된다. 이 고주파 신호에 의해 초음파 탐촉자(4) 내의 압전 소자가 변형되어 초음파가 발생하고, 초음파 탐촉자(4)의 선단으로부터 검사 대상(6)을 향하여 초음파가 송신된다.
검사 대상(6)으로부터 되돌아 온 반사파는, 초음파 탐촉자(4) 내부의 압전 소자에 의해 전기 신호로 변환되고, 프리앰프(53)와 리시버(54)에 의해 증폭된다. 이 증폭된 신호는, A/D 변환기(55)에 의해 디지털 신호로 변환된 뒤 신호 처리 장치(57)에 의해 파고 분석된다. 신호 처리 장치(57)는 이 파고에 따른 콘트라스트의 화소를 화상 표시 장치(58)에 표시한다.
신호 처리 장치(57)에는, 제어 장치(56)로부터 검사 대상(6)의 각 주사 위치와, 이것에 대응하는 초음파 신호가 입력된다. 신호 처리 장치(57)는 검사 대상(6)의 각 주사 위치에 대응하는 초음파의 측정 결과를 영상화하는 처리를 행하고, 처리된 검사 대상(6)의 초음파 화상을 화상 표시 장치(58)에 표시한다.
제어 장치(56)는 3축 스캐너(2)에 의해 초음파 탐촉자(4)를 주사하면서, 일련의 작업을 반복함으로써 화상 표시 장치(58) 상에 검사 대상(6)의 내부로부터의 반사 강도 분포를 영상화한다. 이 화상에 의해, 보이드 등 검사 대상(6) 내부의 결함을 검출할 수 있다.
도 3은 제1 실시 형태의 초음파 탐촉자(4)에 사용되는 적층 압전 소자(40)의 구성을 도시하는 단면도이다.
초음파 탐촉자(4)는 하부 전극(42)과 상부 전극(49) 사이에 적층 압전체막(48)을 형성하여 이루어지는 적층 압전 소자(40)를 구비한다. 적층 압전체막(48)은, c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, 상면측이 O 극성의 자발 분극을 갖는 ZnO막(43)(제1 압전체층) 위에 c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, ZnO(제1 압전 재료)와는 반대 방향의, 상면측이 Al 극성이 되는 자발 분극을 갖는 ScAlN(제2 압전 재료)을 포함하는 ScAlN막(44)(제2 압전체층)이 직접 형성되어 있다. 또한, 적층 압전체막에 대략 수직인 자발 분극의 방향이란, 엄밀한 90도뿐만 아니라, 실질적으로 수직인 방향으로, 막면에 대하여 70도 내지 90도, 더욱 바람직하게는 80도 내지 90도를 의미하는 것이다. 적층 압전체막 내의 자발 분극 방향으로 국소적으로 요동이 있는 경우에는, 평균적인 분극 방향에 의해 정의하기로 한다. 상기한 재료에서는, c축 방향과 자발 분극 방향은 일치한다.
적층 압전 소자(40)의 제작에 있어서, 처음에는 음향 렌즈를 겸하는 석영 유리의 기재(41) 위에 하부 전극(42)을 형성한다. 이 하부 전극(42) 위에 자발 분극을 하는 제1 압전체층인 ZnO막(43)을 형성한다. 그 후 ZnO막(43) 위에 제2 압전체층인 ScAlN막(44)을 적층한 적층 압전체막(48)을 직접 형성하고, 그 위에 상부 전극(49)을 더 형성한다. 이에 의해 적층 압전 소자(40)는 적층 압전체막(48)이 하부 전극(42)과 상부 전극(49) 사이에 끼워져 구성된다. 이렇게 구성함으로써, ZnO막(43)의 상면은 부극성, ScAlN막(44)의 상면은 정극성이 되어, 2층의 압전체층을 극성 반전시킨 상태에서 형성할 수 있다. 이와 같이, 인접층마다 상이한 재료를 적층하고 있으므로, 복수층의 압전체층을 용이하게 극성 반전시켜 적층할 수 있다.
여기서 ScAlN은, ScxAl1 - xN(x는 0을 초과하면서 또한 1 미만)이며, 스칸듐과 알루미늄을 소정 비율로 혼합한 질소 화합물이다.
하부 전극(42)이나 상부 전극(49)이나 적층 압전체막(48)의 형성 방법은 특별히 한정되지 않고 스퍼터법이나 증착법, CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등 중 무엇이든 좋다. ZnO막(43)은 박막의 면에 수직인 일 방향(도 3의 상측 방향)으로 c축 배향하고 있으며, 상면측이 O 극성이 되는 자발 분극을 갖고 있다. ScAlN막(44)은 c축 배향하고 있지만, 상면측이 Al 극성이 되는 자발 분극을 갖고, 분극 방향이 반전되어 있다. 도 3에서는 화살표로 분극의 방향을 모식적으로 도시하고 있다.
적층 압전 소자(40)의 하부 전극(42)에는 전기 케이블(101)이, 상부 전극(49)에는 전기 케이블(102)이 접속되고, 펄스 전원(103)의 전압이 인가된다. 이에 의해 적층 압전 소자(40)는 초음파를 발생할 수 있다.
ZnO막(43)과 ScAlN막(44)의 극성이 반전되어 있는 것은 이하의 비교예의 실험에서 확인할 수 있다. 이 실험에 대하여, 도 4 내지 도 7에 의해 설명한다.
도 4는 비교예의 단층 압전 소자(40X)를 도시하는 도면이다.
단층 압전 소자(40X)의 제작에 있어서, 처음에는 석영 유리의 기재(41) 위에 하부 전극(42)을 형성한다. 이 하부 전극(42) 위에 ZnO막(13)을 단막으로 형성하고, 그 위에 상부 전극(49)을 더 형성한다. 하부 전극(42)에는 전기 케이블(101)이, 상부 전극(49)에는 전기 케이블(102)이 접속되고, 펄스 전원(103)의 전압이 인가된다.
도 5는 비교예의 단층 압전 소자(40Y)를 도시하는 도면이다.
단층 압전 소자(40Y)의 제작에 있어서, 처음에는 석영 유리의 기재(41) 위에 하부 전극(42)을 형성한다. 이 하부 전극(42) 위에 ScAlN막(14)을 단막으로 형성하고, 그 위에 상부 전극(49)을 더 형성한다.
도 6은 단층 압전 소자(40X)의 측정 실험을 도시하는 도면이다.
도 6에 도시하는 측정 실험은, 단층 압전 소자(40X)(도 4 참조)의 하부 전극(42)에 전기 케이블(101)을 접속하고, 상부 전극(49)에 대하여, 오실로스코프(104)의 프로브(105)를 가압하거나 이격하거나 하여, 이때에 발생하는 파형을 측정하고 있다. 또한, 단층 압전 소자(40Y)도 마찬가지로 하여 측정 가능하다. 이때의 전기 신호를 도 7에 도시한다.
도 7은 ScAlN층과 ZnO층의 전기 신호의 파형도이다.
상측의 파형은, ScAlN의 단층 압전 소자(40Y)를 측정했을 때의 파형을 나타내고, 시각 Tp1은 프로브(105)를 가압한 타이밍, 시각 Tr1은 프로브(105)를 이격한 타이밍이다. ScAlN의 단층 압전 소자(40Y)는, 압력을 가하면 부전압이 발생하고, 이 압력을 해방하면 정전압이 발생한다.
하측의 파형은, ZnO의 단층 압전 소자(40X)를 측정했을 때의 파형을 나타내고, 시각 Tp2는 프로브(105)를 가압한 타이밍, 시각 Tr2는 프로브(105)를 이격한 타이밍이다. ZnO의 단층 압전 소자(40X)는, 압력을 가하면 정전압이 발생하고, 이 압력을 해방하면 부전압이 발생한다. 이 도 7로부터, 오실로스코프(104)의 프로브(105)를 가압하거나 이격하거나 하면, 압전체층을 구성하는 재료가 ZnO인 경우와, ScAlN인 경우에, 얻어지는 전기 신호의 극성이 반대로 됨을 알 수 있다. 이 결과로부터 ZnO막과 ScAlN막의 분극 방향이 역전되어 있음을 확인할 수 있다.
도 3에 도시한 적층 압전 소자(40)는 ZnO막(43)과 ScAlN막(44)을 교대로 적층한 적층 압전체막(48) 위에 상부 전극(49)을 형성함으로써, 하부 전극(42)과 상부 전극(49)이 적층 압전체막(48)을 사이에 두고 구성할 수 있다. 이 적층 압전 소자(40)에 전기 케이블(101, 102)을 통하여 펄스 전원(103)으로부터 펄스 전압을 인가함으로써, 이 적층 압전 소자(40)로부터 초음파를 송신할 수 있다.
그 때, ZnO막(43), ScAlN막(44)의 결정을 기판면과 수직으로 c축 배향시키기 위하여, 하부 전극(42)은, ZnO막(43)과 격자간 거리가 가까운 [111]축 배향된 Au막인 것이 바람직하다. 또한 Au막과 기재(41) 사이에는, Au막의 접착성을 향상시키는 금속막, 예를 들어 Ti나 Cr 등의 층이 있으면 더 좋다.
ScAlN막(44)을 하부 전극(42) 위에 형성하고, ZnO막(43)을 그 위에 적층하는 것도 가능한데, 막 응력의 관계로, 막 두께가 커지는 경우에는 ScAlN막(44)이 박리되기 쉬워진다. ZnO막(43) 위에 ScAlN막(44)을 형성하면 막 응력을 완화시키는 효과가 있기 때문에, 하부 전극(42) 위에 ZnO막(43)을 형성하는 편이 바람직하다.
이때, ZnO막(43)의 막 두께 d1과 ScAlN막(44)의 막 두께 d2는, 단층의 압전체층과 하부 전극(42), 상부 전극(49)을 포함하는 압전 소자의 1차 모드의 공진 주파수가 거의 동일해지도록 하는 것이 바람직하다. 막 두께와 각각의 막 내에서의 초음파의 파장의 관계는, 기재(41)와 압전체층의 음향 임피던스의 대소로 바뀌지만, 이하의 식 (1)로 표현되는 조건이 된다. 여기서 λ1은 ZnO막(43) 내부의 초음파의 파장이며, λ2는 ScAlN막(44) 내부의 초음파의 파장이다. 또한, 실용상, 막 두께 d1, d2는, 식 (1)로 산출한 값에 대하여 ±10％ 정도의 오차를 가져도 되는데, 바람직하게는 ±2％ 정도의 오차가 좋다.
Figure 112017126900910-pct00001
또한, 기재(41)로서 사파이어를 사용한 경우, 막 두께와 각각의 막 내에서의 초음파의 파장의 관계는 이하의 식 (2)로 표현되는 조건이 된다. 실용상, 막 두께 d1, d2는, 식 (2)로 산출한 값에 대하여 ±10％ 정도의 오차를 가져도 되는데, 바람직하게는 ±2％ 정도의 오차가 좋다.
Figure 112017126900910-pct00002
식 (1) 또는 식 (2)를 만족하는 구조로 함으로써, 적층 압전 소자(40)로부터 송신되는 초음파의 주파수는, 각각의 단층 압전 소자(40X, 40Y)로부터 송신되는 초음파와 거의 동일한 주파수가 되며, 또한 압전체의 막 두께를 두껍게 할 수 있다.
한편, 적층 압전 소자(40)는 그 전기적 임피던스 Z3을 크게 할 수 있다. 이것을 이하의 식 (3) 내지 식 (5)를 사용하여 설명한다.
ZnO막(43)을 사용한 단층 압전 소자(40X)의 전기적 임피던스 Z1은, 이하의 식 (3)으로 표현된다.
Figure 112017126900910-pct00003
단, f 초음파의 주파수
S 전극 면적
ε1 ZnO막의 유전율
ScAlN막(44)을 사용한 단층 압전 소자(40Y)의 전기적 임피던스 Z2는, 이하의 식 (4)로 표현된다.
Figure 112017126900910-pct00004
단: ε2 ScAlN막의 유전율
이에 반하여 적층 압전 소자(40)(도 3 참조)의 전기적 임피던스 Z3은, 이하의 식 (5)로 표현된 바와 같이 Z1과 Z2의 합이 되어, 단층 압전 소자(40X, 40Y)의 전기적 임피던스보다도 크게 할 수 있다.
Figure 112017126900910-pct00005
도 8은 단층 압전 소자(40X, 40Y)와 적층 압전 소자(40)의 변환 손실의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다. 상단의 그래프는 단층 압전 소자(40X)의 변환 손실의 주파수 특성을 나타내고 있다. 중간단의 그래프는 단층 압전 소자(40Y)의 변환 손실의 주파수 특성을 나타내고, 하단의 그래프는 적층 압전 소자(40)의 변환 손실의 주파수 특성을 나타내고 있다. 도 8에 있어서는 석영 유리를 기재로서 사용하고 있다.
상단의 그래프에 도시한 바와 같이, 석영 유리를 기재(41)로 하여, 단층의 ZnO막(43)(막 두께 4.2㎛)을 압전체층으로 하여 단층 압전 소자(40X)(도 4 참조)를 형성하면, 기본의 공진 주파수가 683㎒가 된다.
중간단의 그래프에 도시한 바와 같이, ScAlN막(44)(막 두께 3.9㎛)을 압전체층으로 하여 단층 압전 소자(40Y)(도 5 참조)를 형성하면, 기본의 공진 주파수는 828㎒가 된다.
이에 반하여, 하단의 그래프에 도시한 바와 같이, 기재(41)측으로부터 1층째에 ZnO막(43)을 4.2㎛, 2층째에 ScAlN막(44)을 3.9㎛ 적층하여 적층 압전 소자(40)(도 3 참조)를 형성하면, 기본의 공진 주파수 f1은 300㎒ 부근에 나타나지만 그 강도는 작고, 720㎒(f2)에 2차 모드 공진이 강하게 나타난다. 적층 압전 소자(40)의 2차 모드 공진의 강도는, 단층의 압전 소자의 기본 모드보다 크다. 이렇게 구성함으로써, 전극 면적은 동일해도 막 두께를 크게 함으로써 전기적 임피던스를 크게 할 수 있어, 단층 압전 소자(40X, 40Y)를 사용한 경우보다도, 전기적 임피던스로서 바람직한 압전 소자를 얻을 수 있다.
(제2 실시 형태)
제1 실시 형태에서는 2층의 압전체층을 적층하는 경우에 대하여 나타내고 있지만, 이 제2 실시 형태는, 3층의 압전체층을 적층하고 있다.
도 9는 제2 실시 형태에 있어서의 적층 압전 소자(40A)의 구성을 도시하는 단면도이다.
적층 압전 소자(40A)는, 하부 전극(42)과 상부 전극(49) 사이에 적층 압전체막(48A)을 구비한다. 적층 압전체막(48A)은, c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, 상면측이 O 극성이 되는 자발 분극을 갖는 ZnO막(43)(제1 압전체층) 위에 c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, ZnO와는 반대 방향의, 상면측이 Al 극성이 되는 자발 분극을 갖는 ScAlN막(44)(제2 압전체층)이 직접 형성되고, 또한 ScAlN막(44) 위에 ZnO막(43)과 거의 동일한 배향성 및 동일한 극성의 자발 분극을 갖는 ZnO막(45)이 직접 형성되어 있다. 즉, ZnO를 포함하는 압전체층과 ScAlN을 포함하는 압전체층이 교대로 복수 적층되어 있다.
이렇게 적층 압전 소자(40A)를 구성함으로써, 단층 압전 소자(40X, 40Y)를 형성한 경우와 거의 동일한 주파수에 3차 모드 공진이 강하게 나타난다.
(제3 실시 형태)
제3 실시 형태에서는 4층의 압전체층을 더 적층하고 있다.
도 10은 제3 실시 형태에 있어서의 적층 압전 소자(40B)의 구성을 도시하는 단면도이다.
적층 압전 소자(40B)는, 하부 전극(42)과 상부 전극(49) 사이에 적층 압전체막(48B)을 구비한다. 적층 압전체막(48B)은, c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, 상면측이 O 극성이 되는 자발 분극을 갖는 ZnO막(43)(제1 압전체층) 위에 c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향되고, ZnO와는 반대 방향의 자발 분극을 갖는 ScAlN막(44)(제2 압전체층)이 직접 형성되고, ScAlN막(44) 위에 ZnO막(43)과 거의 동일한 배향성 및 동일한 극성의 자발 분극을 갖는 ZnO막(45)이 직접 형성되고, 또한 ZnO막(45) 위에 ScAlN막(44)과 거의 동일한 배향성 및 동일한 극성의 자발 분극을 갖는 ScAlN막(46)이 직접 형성되어 있다. 즉, ZnO를 포함하는 압전체층과 ScAlN을 포함하는 압전체층이 교대로 복수 적층되어 있다.
이렇게 적층 압전 소자(40B)를 구성함으로써, 단층 압전 소자(40X, 40Y)를 형성한 경우와 거의 동일한 주파수에 4차 모드 공진이 강하게 나타난다.
이하 마찬가지로 ZnO막과 ScAlN막을 교대로 n층(n은 2 이상의 자연수) 쌓아 압전 소자를 형성함으로써, 단층으로 압전 소자를 형성한 경우와 거의 동일한 주파수에 n차 모드 공진이 강하게 나타난다. 이 경우, 전기적 임피던스는 단층인 경우의 합이 되어, 전기적 임피던스에 바람직한 압전 소자를 얻을 수 있다.
본 발명을 적용하면, 각 층에 동일한 방향의 전계를 가하면 극성이 반대로 되어 있기 때문에, 각 층이 기본 진동을 하여, 층수와 동일한 차수의 공진이 발생한다. 적층 압전 소자는, 압전층을 n층만큼 적층함으로써 막 두께가 커져, 단층 압전 소자와 비교하면 전기적 임피던스가 커지기 때문에 임피던스 정합에 유리해지며, 또한 공진 주파수는 단층 압전 소자의 경우와 거의 동일해진다. 그로 인해, 초음파 탐촉자의 S/N비가 향상된다.
또한, 일반적으로 압전 재료는 절연체 또는 반도체이며, 고저항 재료이다. 단층 압전 소자로 고주파의 초음파 탐촉자를 제작하는 경우, 막 두께가 작아지기 때문에 절연 파괴나 전류 누설이 일어나 고장나기 쉬워진다. 그러나, 적층 압전 소자에서는 막 두께가 크기 때문에, 초음파 탐촉자의 내구성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 탐촉자(4)의 S/N비가 향상되기 때문에, 본 발명을 포함하는 적층 압전 소자(40)를 사용하여 제작한 초음파 탐촉자(4)를 사용하면, 고정밀도이고 고분해능의 검사 화상을 얻을 수 있다.
(변형예)
본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어 상기한 실시 형태는, 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위하여 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 어느 실시 형태의 구성의 일부를 다른 실시 형태의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 어느 실시 형태의 구성에 다른 실시 형태의 구성을 가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시 형태의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것도 가능하다.
각 실시 형태에 있어서, 제어선이나 정보선은, 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는, 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.
본 발명의 변형예로서, 예를 들어 다음의 (a), (b)와 같은 것이 있다.
(a) ZnO막 대신에, CdS를 제1 압전 재료로 하고, c축 방향이 압전체 박막의 면에 대략 수직인 일 방향으로 배향된 제1 압전체층을 구성해도 된다.
(b) ScAlN막 대신에, AlN, GaN, YbGaN 중 어느 하나를 제2 압전 재료로 하여 제2 압전체층을 구성해도 된다.
1: 초음파 검사 장치
2: 3축 스캐너
3: 홀더
4: 초음파 탐촉자
40, 40A, 40B: 적층 압전 소자
40X, 40Y: 단층 압전 소자
41: 기재
42: 하부 전극
43, 45: ZnO막
44, 46: ScAlN막
48: 적층 압전체막
49: 상부 전극
52: 펄스 전압 발생 장치
53: 프리앰프
54: 리시버
55: A/D 변환기
56: 제어 장치
57: 신호 처리 장치
58: 화상 표시 장치
6: 검사 대상
7: 매질
8: 수조
101, 102: 전기 케이블
103: 펄스 전원
104: 오실로스코프
105: 프로브

Claims (9)

  1. 하부 전극과 상부 전극 사이에 적층 압전체막을 형성하여 이루어지는 압전 소자를 구비하고 있으며,
    상기 적층 압전체막은, 막면에 대하여 실질적으로 수직인 자발 분극을 갖는 제1 압전 재료를 포함하는 제1 압전체층 위에 상기 제1 압전 재료와는 상이하며, 또한 상기 제1 압전 재료와는 반대 방향의 자발 분극을 갖는 제2 압전 재료로 구성되는 제2 압전체층이 직접 형성되어 있고,
    상기 제1 압전체층과 상기 제2 압전체층은, 각각 1차 모드의 공진이 얻어지는 두께를 갖고,
    상기 제1 압전체층의 1차 모드의 공진 주파수와 상기 제2 압전체층의 1차 모드의 공진 주파수는 동등한
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적층 압전체막은 또한 상기 제1 압전체층 및 상기 제2 압전체층이 교대로 복수 적층되어 있는,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하부 전극 위에 형성된 상기 제1 압전체층을 구성하는 상기 제1 압전 재료는 ZnO인,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 하부 전극은 [111]축 배향한 Au막인,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 압전체층의 두께는, 상기 제1 압전 재료의 초음파의 파장의 1/4이며,
    상기 제2 압전체층의 두께는, 상기 제2 압전 재료의 초음파의 파장의 1/4인,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 압전체층의 두께는, 상기 제1 압전 재료의 초음파의 파장의 1/2이며,
    상기 제2 압전체층의 두께는, 상기 제2 압전 재료의 초음파의 파장의 1/2인,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 압전 재료는 AlN, ScAlN, GaN, YbGaN 중 어느 하나인,
    것을 특징으로 하는 초음파 탐촉자.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 초음파 탐촉자를 구비하는,
    것을 특징으로 하는 초음파 검사 장치.
  9. 삭제
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