WO2018155276A1 - 超音波センサ - Google Patents

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WO2018155276A1
WO2018155276A1 PCT/JP2018/005036 JP2018005036W WO2018155276A1 WO 2018155276 A1 WO2018155276 A1 WO 2018155276A1 JP 2018005036 W JP2018005036 W JP 2018005036W WO 2018155276 A1 WO2018155276 A1 WO 2018155276A1
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piezoelectric
cavity
piezoelectric portion
constant
layer
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PCT/JP2018/005036
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浩希 岡田
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京セラ株式会社
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    • H10N30/8554—Lead-zirconium titanate [PZT] based

Definitions

  • the present disclosure relates to a piezoelectric ultrasonic sensor such as a pMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer).
  • a piezoelectric ultrasonic sensor such as a pMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer).
  • the ultrasonic sensor As an ultrasonic sensor used for an ultrasonic probe of an ultrasonic diagnostic apparatus, one using a piezoelectric film is known (Patent Documents 1 and 2).
  • the ultrasonic sensor has a membrane, a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode that are sequentially stacked on the cavity.
  • the thickness direction of the piezoelectric film is the polarization direction (the direction of spontaneous polarization).
  • the piezoelectric film When a voltage is applied to the piezoelectric film in the thickness direction, the piezoelectric film expands and contracts in the planar direction. This expansion and contraction is regulated by the membrane. Therefore, the laminate including the membrane and the piezoelectric film is bent and deformed in the lamination direction like a bimetal. As a result, a pressure wave is formed in the atmosphere around the laminate.
  • an electric signal whose voltage changes with an appropriate waveform is input to the lower electrode and the upper electrode, an ultrasonic wave reflecting the waveform of the electric signal (for example, reflecting the frequency) is transmitted.
  • the ultrasonic wave received by the laminated body is converted into an electrical signal reflecting the waveform of the ultrasonic wave by an operation opposite to the above.
  • Patent Document 1 discloses an ultrasonic sensor in which a receiving piezoelectric film and a transmitting piezoelectric film made of a material different from the piezoelectric film are stacked on a membrane.
  • Patent Document 2 discloses an ultrasonic sensor having a piezoelectric film located on the center side of a cavity in a plan view and a piezoelectric film made of the same material as the piezoelectric film and located on the outer periphery of the cavity. ing.
  • An ultrasonic sensor includes a lower electrode layer facing a cavity, a piezoelectric layer positioned on the lower electrode layer, and an upper electrode positioned on the piezoelectric layer And a layer.
  • the piezoelectric layer has a first piezoelectric part and a second piezoelectric part.
  • the first piezoelectric portion is made of a piezoelectric first material, and at least partially overlaps the cavity in plan view.
  • the second piezoelectric portion is made of a piezoelectric second material that is different from the first material in at least one of the g constant and the d constant, and is located in a region different from the arrangement region of the first piezoelectric portion in plan view. And at least a portion overlaps or is adjacent to the cavity.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic sensor according to the embodiment
  • FIG. 1B is a plan view of the ultrasonic sensor of FIG. 2A and 2B are schematic cross-sectional views showing examples of the material of the piezoelectric portion and other examples
  • FIGS. 2C and 2D are ultrasonic waves according to the embodiment. It is typical sectional drawing for demonstrating the effect
  • FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the transmission unit and the reception unit
  • FIG. 3B is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the transmission unit and the reception unit.
  • FIG. 4A is a plan view showing a configuration of a sensor according to a modification
  • FIG. 4B is a plan view showing a configuration of a sensor according to another modification.
  • 5 (a) and 5 (b) are schematic cross-sectional views showing a modification example relating to the thickness of the piezoelectric layer and other modification examples
  • FIG. 5E is a diagram schematically showing a modification example relating to a planar shape of the upper electrode layer and the like, another modification example, and still another modification example. It is a block diagram which shows typically the structure of the ultrasonic diagnosing device as an application example of an ultrasonic sensor.
  • the coordinate system D1-D2-D3 may be attached to the drawing.
  • the sensor may be either upward or downward, but in the description of the embodiment, the upper side or the lower side may be used with the positive side in the D3 axis direction as the upper side.
  • the plan view refers to viewing in the D3 axis direction unless otherwise specified.
  • a material name may be exemplified, but the material name indicates a main component of the material, and an additive may be appropriately included.
  • the main component is, for example, a component in which the ratio of atoms to all atoms in the material exceeds 50%.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating the configuration of the ultrasonic sensor 1 according to the embodiment, and FIG. 1B is a plan view illustrating the configuration of the sensor 1.
  • FIG. 1A corresponds to the line Ia-Ia in FIG.
  • the sensor 1 is configured as a pMUT, for example.
  • the sensor 1 receives an electric signal whose voltage changes with a predetermined waveform (for example, a rectangular wave or a sine wave). Then, the sensor 1 converts the electric signal into an ultrasonic wave reflecting the waveform of the electric signal (for example, reflecting the frequency), and transmits it to one of the positive side and the negative side in the D3 axis direction. Further, for example, the sensor 1 receives ultrasonic waves from the one of the positive side and the negative side in the D3 axis direction, and converts the ultrasonic waves into an electric signal reflecting the waveform of the ultrasonic waves.
  • the positive side or the negative side in the D3 axis direction regarding the transmission and reception of ultrasonic waves here is not necessarily parallel to the D3 axis direction.
  • the frequency band of an ultrasonic wave is a frequency band of 20 kHz or more, for example.
  • the upper limit of the ultrasonic frequency is, for example, 5 GHz.
  • the sensor 1 includes, for example, a base 3, a membrane 5, a lower electrode layer 7, a piezoelectric layer 9, and an upper electrode layer 11, which are sequentially stacked from below as shown in FIG. 1 (a).
  • the substrate 3 has, for example, a cavity 13.
  • Various members (5, 7, 9, 11 and the like) on the base 3 constitute a vibration region portion that vibrates for transmission and reception of ultrasonic waves by a portion located on the cavity 13.
  • the vibration region portion may be configured such that the resonance frequency is located in the ultrasonic frequency band with respect to the vibration of the bending deformation in the first-order mode described later.
  • the cavity 13 may be a concave shape that opens upward in the base 3 or may be a through-hole that penetrates the base 3.
  • the planar shape and dimensions of the cavity 13 may be set as appropriate.
  • the planar shape of the cavity 13 is circular, and the planar shape is constant in the depth direction of the cavity 13 (D3 axis direction).
  • the planar shape of the cavity 13 may not be constant in the depth direction of the cavity 13.
  • the cavity 13 may have a smaller diameter on the upper surface side.
  • the term “planar shape” of the cavity 13 may be regarded as indicating the planar shape of the upper surface of the cavity 13. It is mainly because the upper surface of the cavity 13 defines the vibrable region of the membrane 5 and the like.
  • the material of the base 3 is arbitrary, and the base 3 may be formed integrally or may be configured by combining a plurality of members.
  • the material of the substrate 3 is an inorganic insulating material or an organic insulating material.
  • the base 3 may be integrally formed of an insulating material such as silicon (Si).
  • the base 3 may be formed as a whole integrally with an insulating material such as silicon, and may have a layer made of another insulating material such as SiO 2 on the upper surface.
  • the membrane 5 is, for example, a layer having a certain thickness and covers the cavity 13.
  • the area of the membrane 5 is larger than the area of the cavity 13, and the membrane 5 is fixed to and supported by the substrate 3 around the cavity 13.
  • a region of the membrane 5 that overlaps the cavity 13 may be referred to as a vibrating portion 5a.
  • the thickness of the membrane 5 may be set appropriately.
  • the membrane 5 is made of, for example, an insulating material.
  • the insulating material may be an inorganic material or an organic material. More specifically, for example, silicon, silicon dioxide (SiO 2 ), or silicon nitride (SiN) is used.
  • the membrane 5 may be configured by laminating a plurality of layers made of different materials.
  • the membrane 5 may be made of the same material as the base 3 and may be formed integrally with the base 3. Further, unlike the example shown in the figure, the membrane 5 may be formed of a conductive material and may constitute a part or all of the lower electrode layer (may also serve as the lower electrode layer).
  • the lower electrode layer 7 is a solid electrode having a constant thickness, for example, and having a width extending in and out of the cavity 13 in plan view. However, the lower electrode layer 7 may be configured only from a region overlapping the cavity 13 or may be configured only from a region overlapping the piezoelectric layer 9. The thickness of the lower electrode layer 7 may be set as appropriate.
  • the material of the lower electrode layer 7 may be an appropriate metal, such as gold (Au), platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), or chromium (Cr).
  • the lower electrode layer 7 may be configured by laminating a plurality of layers made of different materials.
  • the piezoelectric layer 9 has a first piezoelectric portion 15 made of a first material and a second piezoelectric portion 17 made of a second material different from the first material.
  • the first material and the second material will be described later.
  • the thicknesses of the first piezoelectric part 15 and the second piezoelectric part 17 are, for example, the same.
  • the planar shapes of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 are the same as, for example, the planar shapes of the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21 described later, which the upper electrode layer 11 has. In the following description of the planar shapes of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17, the planar shapes of the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21 in FIG.
  • the first piezoelectric portion 15 includes, for example, a portion located in the center of the cavity 13 in plan view.
  • the center of the cavity 13 in plan view is, for example, the figure gravity center.
  • the figure centroid is the point where the first moment around it is zero.
  • the plan shape of the cavity 13 is circular, so that the graphic center of gravity is the center of the circle.
  • the first piezoelectric portion 15 is smaller than the cavity 13 in a plan view and is accommodated in the cavity 13.
  • the planar shape of the first piezoelectric portion 15 is, for example, substantially similar to the planar shape of the cavity 13 and / or has an outer edge whose distance from the outer edge of the cavity 13 is substantially constant. In the illustrated example, since the planar shape of the cavity 13 is a circle, the first piezoelectric portion 15 is a circle that is concentric with the cavity 13 and has a smaller diameter than the cavity 13.
  • the second piezoelectric portion 17 includes, for example, a portion located outside the cavity 13 relative to the first piezoelectric portion 15 in plan view. More specifically, for example, the second piezoelectric portion 17 has a shape surrounding the first piezoelectric portion 15 in plan view. In the case of surrounding the first piezoelectric portion 15, for example, when considering the angle range around the center of gravity of the figure of the first piezoelectric portion 15, the total angle range where the second piezoelectric portion 17 exists exceeds 180 °, and It is sufficient that the size of the maximum angle range in which the second piezoelectric portion 17 does not exist is less than 120 °.
  • the second piezoelectric portion 17 extends over a range exceeding a half circumference (180 °) so as to surround the first piezoelectric portion 15, and satisfies both of the above two conditions. More specifically, for example, the second piezoelectric portion 17 extends over a range exceeding 270 ° with a certain width.
  • the shape is generally similar to the outer edge of the first piezoelectric portion 15 (and / or the cavity 13) and / or the distance (0 from the outer edge of the first piezoelectric portion 15 (and / or the cavity 13)).
  • the shape of the second piezoelectric portion 17 is an arc shape.
  • the second piezoelectric portion 17 is generally accommodated in the cavity 13 in plan view, for example.
  • the second piezoelectric portion 17 has a region overlapping the cavity 13 in plan view, and the area of the overlapping region is larger than the area of the non-overlapping region (substantially 0 in the illustrated example).
  • the outer edge of the second piezoelectric portion 17 substantially coincides with the outer edge of the cavity 13.
  • the upper electrode layer 11 has, for example, a first electrode part 19 located on the first piezoelectric part 15 and a second electrode part 21 located on the second piezoelectric part 17.
  • the planar shapes of the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21 are substantially the same as the planar shapes of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17, and the first shape described above.
  • the first piezoelectric part 15 and the second piezoelectric part 17 are replaced with the first electrode part 19 and the second electrode part 21 as they are, and the first electrode part 19
  • the description may be related to the planar shape of the second electrode portion 21.
  • the material and thickness of the first electrode part 19 and the second electrode part 21 are, for example, the same. However, these materials and / or thicknesses may be different from each other. Each electrode portion is, for example, a layer having a certain thickness, and the thickness may be set as appropriate.
  • the material of the upper electrode layer 11 may be the same as or different from the material of the lower electrode layer 7.
  • the specific material may be, for example, the material described in the description of the material of the lower electrode layer 7.
  • the upper electrode layer 11 may be configured by laminating a plurality of layers made of different materials.
  • the sensor 1 may have appropriate connection conductors for inputting signals (voltages) to the lower electrode layer 7 and the upper electrode layer 11 and outputting signals (for example, voltages) from these electrode layers.
  • FIG. 1B illustrates a first connection conductor 23 drawn from the first electrode portion 19 and a second connection conductor 25 drawn from the second electrode portion 21.
  • the first connection conductor 23 and the second connection conductor 25 are made of, for example, layered conductors provided on an insulating layer (not shown) located on the lower electrode layer 7.
  • This insulating layer (not shown) has, for example, substantially the same planar shape as the first connection conductor 23 and the second connection conductor 25, and is hidden behind the first connection conductor 23 and the second connection conductor 25 in FIG. It is not shown.
  • this insulating layer may be provided in a solid shape at the positions where the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 are not arranged.
  • the thickness of the insulating layer may be equal to the thickness of the piezoelectric layer 9, or may be thinner or thicker than this. When the thicknesses are equal, this insulating layer (not shown) may be integrally formed of the same material as one of the first piezoelectric portion 15 or the second piezoelectric portion 17.
  • the insulating layer as described above may not be provided.
  • a region overlapping the first connection conductor 23 and the second connection conductor 25 may be a non-arrangement region of the lower electrode layer 7.
  • the 1st connection conductor 23 and the 2nd connection conductor 25 may be comprised from the layered conductor provided directly on the membrane 5, for example.
  • the tips of the first connection conductor 23 and the second connection conductor 25 are connected to, for example, the membrane 5 or a through conductor (not shown) that penetrates at least a part of the membrane 5 and the base 3.
  • the lower electrode layer 7 is also connected to the through conductor as described above at an appropriate location.
  • the lower electrode layer 7 and the upper electrode layer 11 are input and output of signals through the above through conductors.
  • a pad of the flexible substrate may be joined to appropriate portions of the first connection conductor 23, the second connection conductor 25, and the lower electrode layer 7 from the upper surface side of the sensor 1.
  • the first electrode portion 19 and the first connection conductor 23, and the second electrode portion 21 and the second connection conductor 25 are not connected. Therefore, the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21 (in another aspect, the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17) can input and output signals separately from each other.
  • the first material constituting the first piezoelectric portion 15 and the second material constituting the second piezoelectric portion 17 are piezoelectric bodies.
  • Examples of the piezoelectric body include aluminum nitride (AlN), barium titanate (BTO: BaTiO 3 ), potassium sodium niobate (KNN: (K, Na) NbO 3 ), bismuth sodium titanate (NBT: Na 0.5). Bi 0.5 TiO 3 ) and lead zirconate titanate (PZT: Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 ).
  • the piezoelectric body may or may not be a ferroelectric body and may or may not be a pyroelectric body.
  • the crystal structure may be an appropriate one such as a perovskite type or a wurtzite type.
  • the values of ⁇ d 31 and g 31 are shown below.
  • the subscript 1 or 3 indicates the axial direction in the tensor notation
  • the triaxial direction is the polarization direction (D3 axial direction)
  • the single axial direction is the direction perpendicular to the polarization direction (D1 axial direction). It is.
  • the values of -d 31 and g 31 are shown as ranges in the following because the values of the g constant and the d constant differ depending on the additive, production method, etc., even if they have the same name (main component). ing.
  • the first material constituting the first piezoelectric portion 15 and the second material constituting the second piezoelectric portion 17 are different materials.
  • different from each other means that, for example, at least one of the g constant and the d constant is different, and the name and / or the main component may be the same.
  • the piezoelectric layer 9 has a thickness direction (D3 axis direction) as a polarization direction, and a voltage or an electric displacement in the polarization direction and a plane direction (D1 axis direction and The strain or stress in the D2 axis direction) is basically used. Accordingly, in determining whether the first material and the second material are the same, the g constant and / or the d constant may be represented by ⁇ d 31 and / or g 31 .
  • one of the first material and the second material has a larger d constant and a smaller g constant than the other.
  • Such a combination of two kinds of materials may be appropriately set.
  • the above-described material exemplifying the value of ⁇ d 31 and / or g 31 is used.
  • the other material a material having a relatively large g constant
  • one material a material having a relatively large d constant
  • BTO, KNN, NBT, or PZT for example, when the other material is BTO, KNN can be used as one material.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric layer 9 (hatching indicating a cross-section is omitted) for illustrating examples of materials of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the first material (PZT) of the first piezoelectric portion 15 has a larger d constant and a smaller g constant than the second material (AlN) of the second piezoelectric portion 17.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric layer 9 for illustrating another example of the material of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the first material (AlN) of the first piezoelectric portion 15 has a smaller d constant than the second material (PZT) of the second piezoelectric portion 17,
  • the material has a large g constant.
  • first piezoelectric unit 15 and the second piezoelectric unit 17 may each have a relatively large d constant and a relatively small g constant.
  • FIG. 2C and FIG. 2D are schematic cross-sectional views for explaining the operation of the sensor (hatching indicating the cross-section is omitted).
  • the lower electrode layer 7 and the upper electrode layer 11 are not shown.
  • the thickness direction (D3 axis direction) of each of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 is the polarization direction.
  • the voltage is applied to the first piezoelectric portion 15 in the same direction as the polarization direction, and the first piezoelectric portion 15 is reduced in the plane direction (D1 axis direction and D2 axis direction) as indicated by arrows. Yes.
  • the second piezoelectric portion 17 is applied with a voltage in the direction opposite to the direction of polarization, and extends in the plane direction as indicated by an arrow.
  • the region of the membrane 5 (vibrating portion 5a) that overlaps the first piezoelectric portion 15 and the first piezoelectric portion 15 are on the membrane 5 side (cavity 13) like a bimetal. Side).
  • the region of the membrane 5 (vibrating portion 5a) that overlaps the second piezoelectric portion 17 and the second piezoelectric portion 17 bend to the opposite side of the membrane 5 (cavity 13) like a bimetal. Then, the vibration part 5a and the piezoelectric layer 9 as a whole are displaced toward the cavity 13 side.
  • the vibration part 5a is bent toward the cavity 13 has been described as an example. Contrary to the above, if a voltage is applied to the first piezoelectric portion 15 in the direction opposite to the polarization direction and a voltage is applied to the second piezoelectric portion 17 in the same direction as the polarization direction, Based on the principle, the vibrating part 5 a is displaced to the opposite side to the cavity 13.
  • the electrical signal may be, for example, a voltage application for displacing the vibration part 5a to the cavity 13 side and a voltage application for displacing the vibration part 5a to the side opposite to the cavity 13 may be repeated. That is, the electrical signal may be one whose polarity (positive / negative) is reversed (the direction of the voltage (electric field) is alternately switched in the D3 axis direction).
  • the electric signal may be one in which only the voltage application for displacing the vibration part 5 a to the cavity 13 side or only the voltage application for displacing the vibration part 5 a to the opposite side of the cavity 13 may be repeated.
  • ultrasonic waves are generated by repeating the bending and the cancellation of the bending due to the restoring force.
  • the waveform of the electric signal may be appropriate.
  • the number of waves may be set as appropriate, and the frequency and voltage may or may not be constant.
  • the positive voltage and the negative voltage may be the same or different.
  • the senor 1 intermittently transmits an ultrasonic signal, and receives the ultrasonic signal while the ultrasonic signal is not transmitted. Thereby, the sensor 1 receives, for example, an ultrasonic signal transmitted by itself and reflected and returned.
  • FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of a transmission unit 31 that outputs an electrical signal to the sensor 1 and a reception unit 33 that receives an electrical signal from the sensor 1.
  • the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 have the same polarization direction as indicated by white arrows.
  • the direction of polarization is downward, but of course it may be upward.
  • the transmitting unit 31 indicates that the direction of the voltage applied in the thickness direction (D3 axis direction) is different between the first piezoelectric unit 15 and the second piezoelectric unit 17.
  • a voltage is applied to these voltage parts so as to be reversed.
  • one of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 is applied with a voltage in the same direction as the polarization direction.
  • the other side is reduced in the plane direction, and the other side is expanded in the plane direction by applying a voltage opposite to the direction of polarization.
  • the transmission unit 31 includes a first drive unit 35A connected to the first electrode unit 19 and a second drive unit 35B connected to the second electrode unit 21 (simply simply. Sometimes referred to as “driving unit 35”).
  • These drive units 35 include, for example, a power supply circuit that converts a commercial power supply into a voltage signal having an appropriate waveform and outputs the signal as indicated by a symbol indicating the power supply for convenience.
  • the lower electrode layer 7 is given a reference potential, for example. Therefore, by applying voltages having opposite polarities (positive and negative with respect to the reference potential) to the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21 by the two driving portions 35, the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion. It is possible to apply voltages having directions opposite to each other with respect to the thickness direction.
  • the positive / negative of the electric potential of the 1st electrode part 19 or the 2nd electrode part 21 with respect to the electric potential of the lower electrode layer 7 was demonstrated with reference to FIG.2 (c) and FIG.2 (d). As will be understood, it may or may not change. Moreover, when it does not change, either positive or negative may be used.
  • the two types of signals output by the two drive units 35 may be signals having the same waveform except that the polarities are opposite to each other, or may have different voltages or slightly different phases. The signals may have different waveforms, such as being shifted.
  • the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 may be applied with potentials having opposite polarities by one driving unit 35 while the lower electrode layer 7 and the reference potential unit are connected.
  • the receiving unit 33 can receive electrical signals having opposite polarities from the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 based on the principle opposite to that of the transmitting unit 31.
  • the receiving unit 33 includes a first detection unit 37 ⁇ / b> A that detects a voltage between the lower electrode layer 7 and the first electrode unit 19, and a gap between the lower electrode layer 7 and the second electrode unit 21.
  • a second detection unit 37B that detects the voltage of the first (also referred to as “detection unit 37”).
  • These detection units 37 are configured to include, for example, a voltage amplifier that amplifies and outputs an input voltage, as indicated by a symbol indicating an amplifier for convenience.
  • the receiving unit 33 includes, for example, a calculation unit 39 that adds the signals amplified by the two detection units 37 after having the same polarity.
  • the amplifiers included in the first detection unit 37A and the second detection unit 37B may be charge amplifiers instead of voltage amplifiers.
  • FIG. 3B is a schematic diagram illustrating another example of the configuration of the transmission unit and the reception unit.
  • the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 are polarized in directions opposite to each other as indicated by white arrows.
  • the direction of polarization in the first piezoelectric unit 15 is downward and the direction of polarization in the second piezoelectric unit 17 is upward, but conversely, in the first piezoelectric unit 15, the second direction is upward.
  • the piezoelectric portion 17 may face downward.
  • the transmitting unit 231 indicates that the direction of the voltage applied in the thickness direction (D3 axis direction) is different between the first piezoelectric unit 15 and the second piezoelectric unit 17. A voltage is applied to these voltage parts so as to be in the same direction.
  • first piezoelectric unit 15 and the second piezoelectric unit 17 have opposite polarization directions, the relative relationship between the polarization direction and the voltage direction is opposite between the first piezoelectric unit 15 and the second piezoelectric unit 17. It becomes. Thereby, as described with reference to FIGS. 2C and 2D, one of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 extends in the plane direction, and the other contracts in the plane direction. .
  • the transmission unit 231 includes a drive unit 35 connected to the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 (upper electrode layer 11) connected to each other.
  • the configuration of the drive unit 35 is the same as that shown in FIG. Then, the drive unit 35 applies a voltage between the upper electrode layer 11 (19 and 21) and the lower electrode layer 7.
  • the positive / negative of the electric potential of the 1st electrode part 19 or the 2nd electrode part 21 with respect to the electric potential of the lower electrode layer 7 may change like Fig.3 (a), and does not need to change. Moreover, when it does not change, either positive or negative may be used. Further, either one of the upper electrode layer 11 and the lower electrode layer 7 may be applied with a reference potential (the potential may not change).
  • the receiving unit 233 can receive the opposite polarities from the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 based on the principle opposite to that of the transmitting unit 231.
  • the reception unit 33 includes a detection unit 37 that detects a voltage between the lower electrode layer 7 and the upper electrode layer 11 (the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 connected to each other). Have.
  • the configuration of the detection unit 37 is the same as that shown in FIG.
  • the transmission part 231 may have the two drive parts 35 corresponding to the 1st electrode part 19 and the 2nd electrode part 21, similarly to the transmission part 31 of Fig.3 (a).
  • the two drive units 35 output signals having different waveforms to the first electrode unit 19 and the second electrode unit 21 such as different voltage magnitudes or slightly shifted phases. be able to.
  • the manufacturing method of the sensor may be the same as various known manufacturing methods except that different materials are used for the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the membrane 5, the lower electrode layer 7, the piezoelectric layer 9, and the upper electrode layer 11 may be formed by repeating thin film formation and patterning processes on the wafer to be the base 3.
  • the formation of the first piezoelectric portion 15 and the formation of the second piezoelectric portion 17 may be performed in separate thin film formation and patterning steps, unlike the conventional case.
  • the thin film formation and patterning may be performed separately or simultaneously by forming the thin film through a mask.
  • Various known methods may be applied to the method of forming the thin film that becomes the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the piezoelectric thin film may be formed by sputtering, or may be formed by forming a sol-like or gel-like piezoelectric body and heat-treating it.
  • the polarization direction may be set by controlling the orientation of the crystal at the time of film formation of the piezoelectric material, or may be set by a polarization process after film formation if the piezoelectric material is a ferroelectric material.
  • the sensor 1 includes the membrane 5 having the vibration part 5 a covering the cavity 13, the lower electrode layer 7 overlapping the vibration part 5 a, and the vibration part 5 a of the lower electrode layer 7. And the upper electrode layer 11 overlapping the opposite side of the piezoelectric layer 9 from the lower electrode layer 7.
  • the piezoelectric layer 9 has a first piezoelectric part 15 and a second piezoelectric part 17.
  • the first piezoelectric portion 15 is made of a piezoelectric first material, and at least partially overlaps the vibrating portion 5a in plan view.
  • the second piezoelectric portion 17 is made of a piezoelectric second material that is different from the first material in at least one of the g constant and the d constant, and is located in a region different from the arrangement region of the first piezoelectric portion 15 in plan view. In addition, at least a portion thereof overlaps the vibration part 5a.
  • the transmission intensity is increased.
  • reception sensitivity can be improved.
  • the layer including the membrane 5 and the piezoelectric layer 9 is thin, so that the flexibility of the layer can be improved.
  • the piezoelectric layer 9 when the vibrating portion 5 a is displaced in one of the thickness directions, there are a region to be compressed and a region to be expanded and contracted, and the magnitude of the stress is different from each other. It is also possible to improve the transmission intensity and / or reception sensitivity by selecting an appropriate material according to the above.
  • one of the first material and the second material has a larger d constant and a smaller g constant than the other (for example, AlN).
  • the transmission sensitivity can be improved by the one material having a relatively large d constant, and the receiving sensitivity can be improved by the other material having a relatively large g constant.
  • the first piezoelectric portion 15 includes a portion located in the center of the vibrating portion 5a in plan view.
  • the second piezoelectric portion 17 includes a portion located on the outer side of the vibrating portion 5a with respect to the first piezoelectric portion 15 in plan view.
  • one of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 includes an expanding region and the other includes a decreasing region. Become.
  • the first material has a d constant that is greater than that of the second material.
  • the second material has a larger g constant than the first material.
  • the transmission intensity can be improved by using a material having a relatively large d constant for the first piezoelectric portion 15 located on the center side having a large influence on the transmission.
  • the stress on the outside of the vibration unit 5a tends to increase. Therefore, it is possible to improve the reception sensitivity by using a material having a large g constant for the second piezoelectric portion 17 located on the outside.
  • the first material is more g than the second material as illustrated in FIG.
  • the constant is increased, and the second material has a larger d constant than the first material.
  • the reception sensitivity can be improved.
  • the first piezoelectric portion 15 includes a portion located in the center of the vibrating portion 5a, and the second piezoelectric portion 17 extends over a range exceeding a half circumference so as to surround the first piezoelectric portion 15 in plan view. It extends.
  • the amount of expansion and contraction in the radial direction when a voltage is applied can be increased.
  • the plurality of distributed parts are directly connected to each other. Do not stress each other.
  • the plurality of portions constituting the second piezoelectric portion 17 exert stress on each other in the circumferential direction. Accordingly, the second piezoelectric portion 17 is easily deformed in the radial direction by the Poisson effect. As a result, for example, the transmission strength is improved. Similarly, the reception sensitivity is improved.
  • the first piezoelectric portion 15 includes a portion located at the center of the vibrating portion 5a
  • the second piezoelectric portion 17 includes a portion located outside the vibrating portion 5a with respect to the first piezoelectric portion 15, And the area which overlaps with the vibration part 5a is larger than the area in the outer side.
  • the second piezoelectric portion 17 is more effective in vibration of the vibrating portion 5a than in an aspect in which the area located outside the vibrating portion 5a is larger than the area overlapping the vibrating portion 5a (see FIG. 4B described later). It becomes easy to influence directly. As a result, for example, the effect of improving the transmission intensity and / or reception sensitivity by appropriately setting the material of the second piezoelectric portion 17 becomes remarkable.
  • FIG. 4A is a plan view showing the configuration of the sensor 201 according to the modification, and corresponds to FIG.
  • the sensor 201 is different from the embodiment in the planar shape of the piezoelectric layer and the planar shape of the upper electrode layer 211.
  • the planar shape of the piezoelectric layer is the same as that of the upper electrode layer 211.
  • the piezoelectric layer is hidden by the upper electrode layer 211 and is not shown.
  • the reference numerals of the embodiment are used as the reference numerals of the piezoelectric layers. The same applies to the description of FIG.
  • the planar shape of the first piezoelectric portion 15 is the same as that of the embodiment.
  • the second piezoelectric portion 17 (second electrode portion 221) has a shape surrounding the first piezoelectric portion 15 as in the embodiment.
  • the second piezoelectric portion 17 according to the present modification includes a plurality of divided piezoelectric portions (divided electrode portions 222) that are dispersedly arranged so as to surround the first piezoelectric portion 15.
  • the number of the plurality of divided piezoelectric parts may be set as appropriate, and the shape and size of the plurality of divided piezoelectric parts may be the same as or different from each other.
  • the planar shape of the second piezoelectric portion 17 is equal to the shape of the second piezoelectric portion 17 (second electrode portion 21) of the embodiment. It is a shape with a part removed. Accordingly, the plurality of divided piezoelectric portions (divided electrode portions 222) have the same shape as each other, and each shape is generally arc-shaped (in another aspect, a shape obtained by concentrically cutting the inside of a sector shape). Further, each of the divided piezoelectric portions (divided electrode portions 222) has an area overlapping with the cavity 13 (vibrating portion 5a) larger than the outer area (substantially 0 in the illustrated example).
  • the plurality of divided electrode portions 222 are set to the same potential, for example.
  • the plurality of divided electrode portions 222 are connected to each other by the second connection conductor 225.
  • the connection conductor 225 is the same as the second connection conductor 25 of the embodiment except for a planar shape.
  • planar shape of the second piezoelectric portion 17 for example, even if a non-arrangement region of the second piezoelectric portion 17 is formed around the first piezoelectric portion 15 in order to arrange the first connection conductor 23.
  • the planar shape of the second piezoelectric portion 17 can be a rotationally symmetric shape of 360 ° / n (n is an integer of 2 or more). As a result, for example, it is possible to reduce the possibility that the deflection of the vibration part 5a is biased.
  • FIG. 4B is a plan view showing a configuration of a sensor 301 according to another modification, and corresponds to FIG.
  • the sensor 301 is different from the embodiment in the planar shape of the piezoelectric layer 9 and the planar shape of the upper electrode layer 311. Specifically, in the sensor 301, the second piezoelectric portion 17 (second electrode portion 321) has an area (substantially 0 in the illustrated example) overlapping the cavity 13 (vibrating portion 5a) smaller than the outer area.
  • the second piezoelectric portion 17 does not overlap the vibrating portion 5a but is adjacent to the vibrating portion 5a in plan view.
  • the adjacent here means that, for example, the distance between the vibration part 5a and the second piezoelectric part 17 in plan view is less than 10% (including 0%) of the maximum diameter (diameter in a circle) of the vibration part 5a.
  • the separation distance between the vibrating portion 5a and the portion of the second piezoelectric portion 17 closest to the vibrating portion 5a in plan view is small. This means that the distance is shorter than the distance between the nearest portion and the other vibrating portion 5a.
  • the specific shape of the second piezoelectric portion 17 is, for example, in a substantially constant width so as to surround the first piezoelectric portion 15 (first electrode portion 19), as in the embodiment. It has an arc shape extending over a range of more than half a circumference (and more than 270 °).
  • the specific shape is different from that shown in the figure, and may be a shape that is dispersedly arranged so as to surround the first piezoelectric portion 15, as in the modification of FIG.
  • the second piezoelectric portion 17 can be applied with compressive stress or tensile stress on the outer peripheral part and the upper surface of the vibration part 5a by extending or contracting in the plane direction, and the outer peripheral part of the vibration part 5a can be bent and deformed.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view (a hatching indicating a cross section is omitted) illustrating a modification example relating to the thickness of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the first piezoelectric portion 15 may be thicker than the second piezoelectric portion 17.
  • the degree of thickness difference may be set as appropriate.
  • the first piezoelectric portion 15 is 10% or more thicker than the second piezoelectric portion 17.
  • the first piezoelectric portion 15 is likely to generate a large force by being thickened.
  • the first piezoelectric portion 15 has a great influence on the deformation of the vibrating portion 5a. Therefore, for example, it becomes easy to increase the deformation amount of the vibration part 5a, and as a result, it is easy to improve the transmission intensity.
  • the first piezoelectric unit 15 having a larger d constant and thicker than the second piezoelectric unit 17 is formed, so that transmission is focused on. Strength can be improved. Further, for example, when the d constant of the first piezoelectric portion 15 is smaller than that of the second piezoelectric portion 17 due to various circumstances, the transmission strength can be ensured by increasing the thickness of the first piezoelectric portion 15.
  • FIG. 5B is a schematic cross-sectional view (a hatching indicating a cross section is omitted) showing another modified example related to the thicknesses of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the first piezoelectric portion 15 may be made thinner than the second piezoelectric portion 17.
  • the degree of thickness difference may be set as appropriate.
  • the second piezoelectric portion 17 is 10% or more thicker than the first piezoelectric portion 15.
  • the vibration part 5a tends to have a large amount of deflection on the outer peripheral side.
  • the displacement on the center side of the vibration part 5a due to the deflection on the outer peripheral side of the vibration part 5a can be easily increased.
  • the pressure wave approaches a plane wave as compared with the case where the deflection on the center side of the vibration part 5a is increased to increase the displacement on the center side of the vibration part 5a.
  • it is facilitated to efficiently transmit ultrasonic waves to the front surface of the sensor.
  • the effect of approaching the plane wave can be increased.
  • the d constant of the second piezoelectric portion 17 is smaller than that of the first piezoelectric portion 15 due to various circumstances, the above-described effect can be ensured by increasing the thickness of the second piezoelectric portion 17.
  • the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 may have different thicknesses, either of which may be thick.
  • the relationship between the thickness relationship and the type of material (the relationship between the d constant or the g constant) may be set as appropriate.
  • the structure in which the thicknesses of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 are made different from each other may be applied to sensors in which the materials of the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 are the same. .
  • the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17 may be in contact with each other. Further, the upper electrode layer 501 may be provided in common for the first piezoelectric portion 15 and the second piezoelectric portion 17.
  • the white arrow and the drive unit 35 the polarization direction, the configuration of the transmission unit, and the configuration of the reception unit in this case are the same as, for example, the example of FIG.
  • the second electrode portion 21 may not be located on the second piezoelectric portion 17.
  • the second piezoelectric portion 17 is adjacent to the first piezoelectric portion 15 and the polarization direction is the polarization direction of the first piezoelectric portion 15 as indicated by the white arrow. It has been reversed.
  • the second electrode portion 21 is located outside the second piezoelectric portion 17 in plan view.
  • the drive unit 35 makes the lower electrode layer 7 and the second electrode unit 21 have the same potential, and applies a voltage between them and the first electrode unit 19.
  • the first piezoelectric portion 15 as indicated by the black arrow, a voltage in the thickness direction is applied as in the embodiment, and as a result, the same deformation as in the embodiment occurs.
  • the second piezoelectric portion 17 a voltage in the plane direction is applied, as indicated by the black arrow. That is, a voltage in a direction crossing the polarization direction is applied.
  • the second piezoelectric portion 17 undergoes so-called shear deformation. Due to this shear deformation, the central portion of the vibration part 5 a is promoted to be displaced in the direction of bending due to the deformation of the first piezoelectric part 15.
  • the portion of the piezoelectric layer 503 outside the second piezoelectric portion 17 is basically deformed because it is sandwiched between the lower electrode layer 7 and the second electrode portion 21 having the same potential. do not do. The part may not be polarized.
  • FIG. 5 (e) is a schematic plan view of the sensor and corresponds to FIG. 1 (b).
  • the first piezoelectric portion and the second piezoelectric portion have the same shape as the first electrode portion 507 and the second electrode portion 509, and are hidden from these electrode portions and are not shown.
  • the cavity 505 (vibrating part), the first piezoelectric part (first electrode part 507), and the second piezoelectric part (second electrode part 509) are not limited to a circle. Further, the entire first piezoelectric portion (first electrode portion 507) may not be located at the center of the cavity 13. The second piezoelectric part (second electrode part 509) may not surround the first piezoelectric part (first electrode part 507).
  • the cavity 505 (vibrating part) is rectangular.
  • the first piezoelectric part (first electrode part 507) has a rectangular shape extending over the length of the cavity 505 at the center of the width of the cavity 505.
  • the second piezoelectric part (second electrode part 509) has a rectangular shape extending over the length of the cavity 505 on both sides in the width direction of the cavity 505. Note that the second piezoelectric portion (second electrode portion 509) may or may not overlap the cavity 505 as described with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 101 as an application example of the sensor 1.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 101 includes, for example, a probe 103 that comes into contact with a patient, a flexible cable 105 that is connected to the probe 103, and an apparatus main body 107 that is connected to the probe 103 via the cable 105. It has.
  • the probe 103 includes, for example, a sensor substrate 109, and the sensor substrate 109 is a plurality of sensors 1 (sensors according to a modified example) arranged in a planar direction (D1-axis direction and / or D2-axis direction). May be).
  • the plurality of sensors 1 may be simultaneously formed by processing the wafer that is the base 3.
  • the base 3 may be integrally formed across the plurality of sensors 1.
  • the lower electrode layer 7 may be formed in common (for example, in a solid shape) over the plurality of sensors 1.
  • the second piezoelectric portion 17 and / or the second electrode portion 21 may be connected to each other between adjacent sensors 1.
  • the plurality of sensors 1 may be input with the same electrical signal, or may be input with different electrical signals (for example, electrical signals slightly shifted in phase for electronic scanning). It may be. In the latter case, for example, a common potential (for example, a reference potential) is applied to the plurality of sensors 1 on the lower electrode layer 7, and a plurality of potentials are applied to the upper electrode layer 11 (the first electrode portion 19 and the second electrode portion 21). A separate electric potential may be applied by the sensor 1.
  • a common potential for example, a reference potential
  • a separate electric potential may be applied by the sensor 1.
  • the apparatus main body 107 includes, for example, an input unit 111 that receives an operation of a user (for example, a doctor or a technician), and a control unit 113 that controls the transmission unit 31 based on a signal from the input unit 111.
  • the transmitter 31 is as described above.
  • the apparatus main body 107 displays an image based on the signal from the image processing unit 115 that performs image processing based on the signal from the reception unit 33 and the signal from the control unit 113 that have already been described, and the signal from the image processing unit 115.
  • a display unit 117 is a display unit 117.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 101 can display a tomographic image of the patient on the display unit 117.
  • a part (for example, an amplifier) of the transmitter 31 and the receiver 33 may be provided in the probe 103.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and may be implemented in various modes.
  • the planar shape of the piezoelectric layer is not limited to the one in which the first piezoelectric portion is located on the center side of the cavity (vibrating portion) and the second piezoelectric portion is located outside thereof.
  • the vibration part may be divided into two equal parts by a straight line passing through the vicinity of the center of gravity of the figure in plan view, and the first piezoelectric part may be located on one side and the second piezoelectric part may be located on the other side.
  • a balance between transmission intensity and reception sensitivity is preferable.
  • the vibration part is divided into the center side and the outer side, the deformation symmetry of the vibration part is easily ensured, and the materials may be different from each other in the regions having different deformation modes. it can.
  • planar shapes of the cavity (vibration unit), the first piezoelectric unit, and the second piezoelectric unit can be variously different from the illustrated examples. For example, these may be elliptical or polygons other than rectangles.
  • the electrode layer and the piezoelectric layer are stacked on the side opposite to the cavity with respect to the membrane, but may be stacked on the cavity side.
  • the unimorph type is exemplified as the ultrasonic sensor, but a bimorph type may be used. That is, a piezoelectric layer having a polarization direction opposite to that of the piezoelectric layer 9 may be disposed between the piezoelectric layer 9 and the lower electrode layer 7 or between the piezoelectric layer 9 and the upper electrode layer 11. .
  • the membrane 5 is not necessary, and if the direction of polarization is different for each region in the piezoelectric layer 9 (the first piezoelectric portion and the second piezoelectric portion), the piezoelectric body overlapping the piezoelectric layer 9 The layer may have a different polarization direction for each region.
  • the piezoelectric layer overlapping the piezoelectric layer 9 may be entirely made of the same material, or may be made of a different material for each region, like the piezoelectric layer 9.
  • a voltage is applied to both the first piezoelectric unit and the second piezoelectric unit, and an electric signal is extracted from both the first piezoelectric unit and the second piezoelectric unit.
  • a voltage may be applied to only one of the first piezoelectric portion and the second piezoelectric portion (for example, a piezoelectric portion made of a material that is relatively suitable for oscillation) and / or the first piezoelectric portion and the second piezoelectric portion. You may take out an electrical signal only from the other (for example, the piezoelectric part which consists of material relatively suitable for reception) among piezoelectric parts.
  • transmission strength and / or reception sensitivity are expected to be improved.
  • SYMBOLS 1 Sensor (ultrasonic sensor), 5 ... Membrane, 5a ... Vibration part, 7 ... Lower electrode layer, 9 ... Piezoelectric layer, 11 ... Upper electrode layer, 15 ... 1st piezoelectric part, 17 ... 2nd piezoelectric part.

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Abstract

センサは、キャビティに対向している下部電極層と、下部電極層上に位置している圧電体層と、圧電体層上に位置している上部電極層と、を有している。圧電体層は、第１圧電部および第２圧電部を有している。第１圧電部は、圧電性の第１材料からなり、平面視においてキャビティに少なくとも一部が重なっている。第２圧電部は、第１材料とはｇ定数およびｄ定数の少なくとも一方が異なる、圧電性の第２材料からなり、平面視において、第１圧電部の配置領域とは異なる領域に位置し、かつ少なくとも一部がキャビティに重なっている。

Description

超音波センサ
　本開示は、ｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）等の圧電型の超音波センサに関する。
　超音波診断装置の超音波プローブ等に利用される超音波センサとして、圧電膜を用いたものが知られている（特許文献１及び２）。例えば、超音波センサは、キャビティ上に順に積層された、メンブレン、下部電極、圧電膜及び上部電極を有している。圧電膜は、厚さ方向が分極方向（自発分極の方向）とされている。
　圧電膜に対してその厚さ方向に電圧が印加されると、圧電膜は、平面方向において伸縮する。この伸縮は、メンブレンによって規制される。従って、メンブレン及び圧電膜を含む積層体はバイメタルのように積層方向において撓み変形する。ひいては、積層体の周囲の雰囲気には圧力波が形成される。そして、適宜な波形で電圧が変化する電気信号が下部電極及び上部電極に入力されると、その電気信号の波形を反映した（例えば周波数を反映した）超音波が発信される。また、上記とは逆の作用によって、積層体によって受信された超音波は、その超音波の波形を反映した電気信号に変換される。
　特許文献１では、メンブレン上に、受信用の圧電膜と、この圧電膜とは異なる材料からなる発信用の圧電膜とを積層した超音波センサを開示している。特許文献２では、平面視において、キャビティの中央側に位置する圧電膜と、この圧電膜と同一の材料からなり、キャビティの外周に位置する圧電膜とを有している超音波センサを開示している。
特開２０１３－１４６４７８号公報 特開２０１３－１３５７９３号公報
　本開示の一態様に係る超音波センサは、キャビティに対向している下部電極層と、前記下部電極層上に位置している圧電体層と、前記圧電体層上に位置している上部電極層と、を有している。前記圧電体層は、第１圧電部および第２圧電部を有している。第１圧電部は、圧電性の第１材料からなり、平面視において前記キャビティに少なくとも一部が重なっている。第２圧電部は、前記第１材料とはｇ定数およびｄ定数の少なくとも一方が異なる、圧電性の第２材料からなり、平面視において、前記第１圧電部の配置領域とは異なる領域に位置し、かつ少なくとも一部が前記キャビティに重なっている、または隣接している。
図１（ａ）は実施形態に係る超音波センサの構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の超音波センサの平面図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は圧電部の材料の例および他の例を示す模式的な断面図であり、図２（ｃ）および図２（ｄ）は実施形態に係る超音波センサの作用を説明するための模式的な断面図である。 図３（ａ）は送信部および受信部の構成の例を示す模式図であり、図３（ｂ）は送信部および受信部の構成の他の例を示す模式図である。 図４（ａ）は変形例に係るセンサの構成を示す平面図であり、図４（ｂ）は他の変形例に係るセンサの構成を示す平面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は圧電体層の厚さに係る変形例および他の変形例を示す模式的な断面図であり、図５（ｃ）、図５（ｄ）および図５（ｅ）は上部電極層等の平面形状に係る変形例、他の変形例およびさらに他の変形例を模式的に示す図である。 超音波センサの応用例としての超音波診断装置の構成を模式的に示すブロック図である。
　以下、図面を参照して本開示に係る実施形態を説明する。なお、以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。また、複数の図面相互の寸法比率も必ずしも一致しない。
　図面には、便宜上、直交座標系Ｄ１－Ｄ２－Ｄ３を付すことがある。なお、センサは、いずれの方向が上方または下方とされてもよいものであるが、実施形態の説明では、Ｄ３軸方向の正側を上方として、上部または下部等の語を用いることがある。また、以下において平面視という場合、特に断りがない限りは、Ｄ３軸方向に見ることをいうものとする。
　本実施形態の説明では、材料名を例示することがあるが、その材料名は、材料の主成分を指すものとし、適宜に添加物が含まれていてよいものとする。主成分は、例えば、その材料中の全ての原子に対する原子の比率が５０％を超える成分である。
（センサの全体構成）
　図１（ａ）は、実施形態に係る超音波式のセンサ１の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、センサ１の構成を示す平面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）のＩａ－Ｉａ線に対応している。
　センサ１は、例えば、ｐＭＵＴとして構成されている。センサ１は、例えば、所定の波形（例えば矩形波または正弦波）で電圧が変化する電気信号が入力される。そして、センサ１は、その電気信号を当該電気信号の波形を反映した（例えば周波数を反映した）超音波に変換し、Ｄ３軸方向の正側および負側の一方へ発信する。また、例えば、センサ１は、Ｄ３軸方向の正側および負側の前記一方から超音波を受信し、その超音波を当該超音波の波形を反映した電気信号に変換する。
　なお、ここでいう超音波の発信および受信についてのＤ３軸方向の正側または負側は、Ｄ３軸方向に平行とは限らない。また、超音波の周波数帯は、例えば、２０ｋＨｚ以上の周波数帯である。超音波の周波数の上限について、特に規定は存在しないが、例えば、上限は、５ＧＨｚである。
　センサ１は、例えば、図１（ａ）に示すように、下方から順に積層された、基体３、メンブレン５、下部電極層７、圧電体層９及び上部電極層１１を有している。
　基体３は、例えば、キャビティ１３を有している。基体３上の各種の部材（５、７、９および１１等）は、キャビティ１３上に位置する部分によって、超音波の送信および受信のために振動する振動領域部を構成している。当該振動領域部は、後述する１次モードの撓み変形の振動に関して、共振周波数が超音波の周波数帯に位置するように構成されてよい。
　キャビティ１３は、基体３において、上方に開口する凹状のものであってもよいし、基体３を貫通する貫通孔状のものであってもよい。キャビティ１３の平面形状および寸法は適宜に設定されてよい。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であり、また、当該平面形状は、キャビティ１３の深さ方向（Ｄ３軸方向）において一定である。
　なお、図示の例とは異なり、キャビティ１３の平面形状は、キャビティ１３の深さ方向において一定でなくてもよい。例えば、キャビティ１３は、上面側ほど径が小さくなっていてもよい。このような態様を考慮したときに、本実施形態等の説明において、キャビティ１３の平面形状の語は、キャビティ１３の上面の平面形状を指すものと捉えられてよい。メンブレン５等の振動可能な領域を規定するのは、主としてキャビティ１３の上面だからである。
　基体３の材料は任意であり、また、基体３は、一体的に形成されていても、複数の部材が組み合わされて構成されていてもよい。例えば、基体３の材料は、無機絶縁材料または有機絶縁材料である。より具体的には、例えば、基体３は、シリコン（Ｓｉ）等の絶縁材料によって一体的に形成されてよい。また、例えば、基体３は、シリコン等の絶縁材料によって概ね全体が一体的に形成されているとともに、上面にＳｉＯ２等の他の絶縁材料からなる層を有していてもよい。
　メンブレン５は、例えば、一定の厚さの層状であり、キャビティ１３を覆っている。メンブレン５の面積はキャビティ１３の面積よりも広く、メンブレン５は、キャビティ１３の周囲において基体３に固定されて支持されている。なお、メンブレン５のうち、キャビティ１３と重なる領域を振動部５ａということがある。メンブレン５の厚さは適宜に設定されてよい。
　メンブレン５は、例えば、絶縁材料によって形成されている。絶縁材料は、無機材料でも有機材料でもよく、より具体的には、例えば、シリコン、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）または窒化シリコン（ＳｉＮ）である。なお、メンブレン５は、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。また、メンブレン５は、基体３と同一材料からなり、基体３と一体的に形成されていてもよい。また、メンブレン５は、図示の例とは異なり、導電材料によって形成され、下部電極層の一部または全部を構成してもよい（下部電極層を兼ねてもよい。）。
　下部電極層７は、例えば、一定の厚さの層状であり、平面視においてキャビティ１３の内外に亘る広さを有するベタ状電極である。ただし、下部電極層７は、例えば、キャビティ１３に重なる領域のみから構成されていても構わないし、圧電体層９が重なる領域のみから構成されていても構わない。下部電極層７の厚さは適宜に設定されてよい。下部電極層７の材料は、適宜な金属とされてよく、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）である。下部電極層７は、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。
　圧電体層９は、第１材料からなる第１圧電部１５と、第１材料とは異なる第２材料からなる第２圧電部１７とを有している。第１材料および第２材料については後述する。第１圧電部１５および第２圧電部１７の厚さは、例えば、互いに同一である。第１圧電部１５および第２圧電部１７の平面形状は、例えば、上部電極層１１が有する、後述する第１電極部１９および第２電極部２１の平面形状と同じである。以下の第１圧電部１５および第２圧電部１７の平面形状の説明では、図１（ｂ）の第１電極部１９および第２電極部２１の平面形状を参照してよい。
　第１圧電部１５は、例えば、平面視においてキャビティ１３の中央に位置している部分を含んでいる。なお、平面視におけるキャビティ１３の中央は、例えば、図形重心である。図形重心は、そのまわりでの一次モーメントが０であるような点である。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であるから、図形重心は円の中心である。また、第１圧電部１５は、平面視において、キャビティ１３よりも小さく、キャビティ１３内に収まっている。
　第１圧電部１５の平面形状は、例えば、キャビティ１３の平面形状と概ね相似形とされている、および／またはキャビティ１３の外縁からの距離が概ね一定となる外縁を有している。図示の例では、キャビティ１３の平面形状は円形であるから、第１圧電部１５は、キャビティ１３と同心かつキャビティ１３よりも径が小さい円形である。
　第２圧電部１７は、例えば、平面視において、第１圧電部１５よりもキャビティ１３の外側に位置する部分を含んでいる。より具体的には、例えば、第２圧電部１７は、平面視において第１圧電部１５を囲む形状である。第１圧電部１５を囲むという場合、例えば、第１圧電部１５の図形重心回りの角度範囲で考えたときに、第２圧電部１７が存在する角度範囲の合計が１８０°を超えるか、および／または第２圧電部１７が存在しない角度範囲の最大のものの大きさが１２０°未満であればよい。
　図示の例では、第２圧電部１７は、第１圧電部１５を囲むように半周（１８０°）を超える範囲に亘って延びており、上記の２つの条件のいずれも満たしている。より具体的には、例えば、第２圧電部１７は、一定の幅で２７０°を超える範囲に亘って延びている。その形状は、第１圧電部１５（および／またはキャビティ１３）の外縁と概ね相似形とされている、および／または（第１圧電部１５（および／またはキャビティ１３）の外縁からの距離（０でもよい）が概ね一定となる内縁および外縁を有している。図示の例では、第２圧電部１７の形状は円弧状である。
　第２圧電部１７は、例えば、平面視において概ねキャビティ１３内に収まっている。換言すると、第２圧電部１７は、平面視においてキャビティ１３に重なる領域を有しており、当該重なる領域の面積は、重ならない領域の面積（図示の例では略０）よりも大きい。また、別の観点では、図示の例では、第２圧電部１７は、その外縁がキャビティ１３の外縁に概ね一致している。
　上部電極層１１は、例えば、第１圧電部１５上に位置する第１電極部１９と、第２圧電部１７上に位置する第２電極部２１とを有している。上述のように、本実施形態では、第１電極部１９および第２電極部２１の平面形状は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の平面形状と概ね同一であり、上記の第１圧電部１５および第２圧電部１７の平面形状に係る説明は、そのまま第１圧電部１５および第２圧電部１７を第１電極部１９および第２電極部２１と読み替えて、第１電極部１９および第２電極部２１の平面形状に係る説明としてよい。
　第１電極部１９および第２電極部２１の材料および厚さは、例えば、互いに同一である。ただし、これらの材料および／または厚さは、互いに異なっていてもよい。各電極部は、例えば、一定の厚さの層状であり、その厚さは適宜に設定されてよい。上部電極層１１の材料は、下部電極層７の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。その具体的な材料は、例えば、下部電極層７の材料の説明で挙げた材料とされてよい。上部電極層１１は、互いに異なる材料からなる複数の層が積層されて構成されていてもよい。
　センサ１は、下部電極層７および上部電極層１１への信号（電圧）の入力およびこれらの電極層からの信号（例えば電圧）の出力のために、適宜な接続導体を有していてよい。図１（ｂ）では、第１電極部１９から引き出されている第１接続導体２３と、第２電極部２１から引き出されている第２接続導体２５とが例示されている。
　第１接続導体２３および第２接続導体２５は、例えば、下部電極層７上に位置する不図示の絶縁層上に設けられた層状導体からなる。この不図示の絶縁層は、例えば、第１接続導体２３および第２接続導体２５と概ね同一の平面形状であり、図１（ｂ）では第１接続導体２３および第２接続導体２５に隠れて不図示である。
　なお、この不図示の絶縁層は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の非配置位置においてベタ状に設けられていてもよい。また、この不図示の絶縁層の厚さは、圧電体層９の厚さと同等であってもよいし、これよりも薄くてもよいし、厚くてもよい。厚さが同等の場合、この不図示の絶縁層は、第１圧電部１５または第２圧電部１７の一方と同一材料によって一体的に形成されていてもよい。
　また、例えば、上記のような絶縁層は設けられなくてもよい。例えば、第１接続導体２３および第２接続導体２５に重なる領域は、下部電極層７の非配置領域とされてよい。そして、第１接続導体２３および第２接続導体２５は、例えば、メンブレン５上に直接に設けられた層状導体から構成されてよい。
　第１接続導体２３および第２接続導体２５の先端は、例えば、メンブレン５、またはメンブレン５および基体３の少なくとも一部を貫通する不図示の貫通導体に接続される。また、下部電極層７も、適宜な部位において上記のような貫通導体に接続される。そして、下部電極層７および上部電極層１１は、上記の貫通導体を介して信号の入力および出力がなされる。なお、貫通導体に代えて、センサ１の上面側からフレキシブル基板のパッド等が第１接続導体２３、第２接続導体２５および下部電極層７の適宜な部位と接合されてもよい。
　図１（ｂ）の例では、第１電極部１９および第１接続導体２３と、第２電極部２１および第２接続導体２５とは非接続とされている。従って、第１電極部１９および第２電極部２１（別の観点では第１圧電部１５および第２圧電部１７）は、互いに別々に信号の入力および出力が可能となっている。
（圧電体層の材料）
　第１圧電部１５を構成する第１材料および第２圧電部１７を構成する第２材料は、圧電体である。圧電体としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ：ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ：Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）およびチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１－ｘ)Ｏ３）を挙げることができる。上記の例示からも理解されるように、圧電体は、強誘電体であってもなくてもよいし、焦電体であってもなくてもよい。また、結晶構造は、ペロブスカイト型またはウルツ鉱型等の適宜なものであってよい。
　上記に例示した圧電体のｄ定数（圧電歪定数）およびｇ定数（圧電出力定数）のうち、－ｄ３１およびｇ３１の値を以下に示す。確認的に記載すると、添字の１または３は、テンソル表記における軸方向を示しており、３軸方向は分極方向（Ｄ３軸方向）、１軸方向は分極方向に直交する方向（Ｄ１軸方向）である。なお、同一の名称（主成分）であっても、添加物および製造方法等の相違によってｇ定数およびｄ定数の値が異なることから、以下において－ｄ３１およびｇ３１の値は範囲で示されている。
　　　　　　　－ｄ３１（ｐｍ／Ｖ）　　ｇ３１（１０－２Ｖ・Ｎ／ｍ）
　ＡｌＮ　　　８～１４　　　　　　　　７．８～８．５
　ＢＴＯ　　　６５　　　　　　　　　　２．４
　ＫＮＮ　　　８０～１３８　　　　　　２．３～３．９
　ＮＢＴ　　　４０～２０６　　　　　　０．７～２．４
　ＰＺＴ　　　１３２～２２０　　　　　１．２～２．４
　既述のように、第１圧電部１５を構成する第１材料と、第２圧電部１７を構成する第２材料とは互いに異なる材料である。ここでいう互いに異なるは、例えば、ｇ定数およびｄ定数の少なくとも一方が異なることをいい、名称および／または主成分が同一であっても構わない。また、後述する作用から理解されるように、圧電体層９は、厚さ方向（Ｄ３軸方向）が分極方向とされており、分極方向における電圧または電気変位、ならびに平面方向（Ｄ１軸方向およびＤ２軸方向）における歪または応力が基本的に利用される。従って、第１材料および第２材料が同一か否かの判定において、ｇ定数および／またはｄ定数は、－ｄ３１および／またはｇ３１に代表されてよい。
　第１材料および第２材料の一方は、例えば、他方に対して、ｄ定数が大きく、ｇ定数が小さい。このような２種の材料の組み合わせは、適宜に設定されてよい。例えば、－ｄ３１および／またはｇ３１の値を例示した上記の材料を用いることとする。この場合、例えば、他方の材料（ｇ定数が相対的に大きい材料）をＡｌＮとすると、一方の材料（ｄ定数が相対的に大きい材料）は、ＢＴＯ、ＫＮＮ、ＮＢＴまたはＰＺＴである。また、例えば、他方の材料をＢＴＯとすると、一方の材料としてＫＮＮを用いることができる。
（圧電部の位置と材料との組み合わせ）
　以下の説明では、上記のように、第１材料および第２材料の一方が、他方に比較して、ｄ定数については大きく、ｇ定数については小さい態様を例に取る。また、一方の材料および他方の材料の組み合わせとして、ＰＺＴおよびＡｌＮを例に取る。
　図２（ａ）は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の材料の例を示すための、圧電体層９の模式的な断面図（断面を示すハッチングは省略）である。この例では、第１圧電部１５の第１材料（ＰＺＴ）は、第２圧電部１７の第２材料（ＡｌＮ）に比較して、ｄ定数が大きく、ｇ定数が小さい材料とされている。
　図２（ｂ）は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の材料の他の例を示すための、圧電体層９の模式的な断面図である。この例では、図２（ａ）とは逆に、第１圧電部１５の第１材料（ＡｌＮ）は、第２圧電部１７の第２材料（ＰＺＴ）に比較して、ｄ定数が小さく、ｇ定数が大きい材料とされている。
　このように、第１圧電部１５および第２圧電部１７は、いずれが、ｄ定数が相対的に大きく、かつｇ定数が相対的に小さくされてもよい。
（センサの作用）
　図２（ｃ）および図２（ｄ）は、センサの作用を説明するための模式的な断面図（断面を示すハッチングは省略）である。この図において、下部電極層７および上部電極層１１の図示は省略されている。
　第１圧電部１５および第２圧電部１７は、いずれも厚さ方向（Ｄ３軸方向）が分極方向とされている。そして、図２（ｃ）においては、第１圧電部１５は、分極の向きと同じ向きで電圧が印加され、矢印で示すように、平面方向（Ｄ１軸方向およびＤ２軸方向）において縮小している。逆に、第２圧電部１７は、分極の向きと逆向きに電圧が印加され、矢印で示すように、平面方向において伸長している。
　従って、図２（ｄ）において矢印で示すように、メンブレン５（振動部５ａ）のうち第１圧電部１５と重なる領域、および第１圧電部１５は、バイメタルのようにメンブレン５側（キャビティ１３側）へ撓む。一方、メンブレン５（振動部５ａ）のうち第２圧電部１７と重なる領域、および第２圧電部１７は、バイメタルのようにメンブレン５（キャビティ１３）とは反対側へ撓む。そして、振動部５ａおよび圧電体層９全体としては、キャビティ１３側へ変位する。
　上記では、振動部５ａがキャビティ１３側へ撓む場合を例にとって説明した。上記とは逆に、第１圧電部１５に対して分極の向きと逆向きで電圧が印加され、第２圧電部１７に対して分極の向きと同じ向きに電圧が印加されれば、同様の原理により、振動部５ａはキャビティ１３とは反対側に変位する。
　上記のような振動部５ａの変位によって、振動部５ａの周囲の雰囲気においては圧力波が形成される。そして、所定の波形で電圧が変化する電気信号が下部電極層７および上部電極層１１に入力されることによって、その電気信号の波形（例えば周波数）を反映した超音波が生成される。
　なお、電気信号は、例えば、振動部５ａをキャビティ１３側へ変位させる電圧印加と、振動部５ａをキャビティ１３とは反対側へ変位させる電圧印加とが繰り返されるものであってもよい。すなわち、電気信号は、極性（正負）が反転する（電圧（電界）の向きがＤ３軸方向において交互に入れ替わる）ものであってよい。
　また、例えば、電気信号は、振動部５ａをキャビティ１３側へ変位させる電圧印加のみ、または振動部５ａをキャビティ１３とは反対側へ変位させる電圧印加のみが繰り返されるものであってもよい。この場合、撓みと、復元力による撓みの解消との繰り返しによって、超音波が生成される。
　また、電気信号の波形は適宜なものとされてよい。例えば、１つの超音波信号（エコー信号）において、波の数は適宜に設定されてよいし、また、周波数および電圧は一定であってもよいし、一定でなくてもよい。電気信号の極性が変化する場合において、正側の電圧と負側の電圧とは同一の大きさであってもよいし、異なっていてもよい。
　超音波の発信について述べたが、超音波の受信は、発信時とは逆の原理によって実現される。センサ１は、例えば、超音波信号の発信を間欠的に行い、超音波信号の発信が行われていない間において超音波信号の受信を行う。これにより、センサ１は、例えば、自らが発信し、反射して帰ってきた超音波信号を受信する。
（送信部および受信部の構成の例）
（構成例１）
　図３（ａ）は、センサ１に電気信号を出力する送信部３１およびセンサ１からの電気信号が入力される受信部３３の構成の例を示す模式図である。
　この例において、第１圧電部１５および第２圧電部１７は、白抜きの矢印で示されているように、分極の向きが互いに同一とされている。なお、図示の例では、分極の向きは下向きとされているが、上向きであってもよいことはもちろんである。そして、黒線の矢印で示されているように、送信部３１は、厚さ方向（Ｄ３軸方向）に印加される電圧の向きが、第１圧電部１５と第２圧電部１７とで互いに逆向きになるように、これらの電圧部に電圧を印加する。これにより、図２（ｃ）および図２（ｄ）を参照して説明したように、第１圧電部１５および第２圧電部１７の一方は、分極の向きと同じ向きの電圧が印加されて平面方向において縮小し、他方は、分極の向きと逆向きの電圧が印加されて平面方向において伸長する。
　具体的には、例えば、送信部３１は、第１電極部１９に接続された第１駆動部３５Ａと、第２電極部２１に接続された第２駆動部３５Ｂとを有している（単に「駆動部３５」ということがある。）。これらの駆動部３５は、便宜的に電源を示す記号により示されているように、例えば、商業電源を適宜な波形の電圧の信号に変換して出力する電源回路を含んで構成されている。また、下部電極層７は、例えば、基準電位が付与されている。従って、２つの駆動部３５によって第１電極部１９および第２電極部２１に対して極性（基準電位に対する正負）が互いに逆の電圧を印加することによって、第１圧電部１５および第２圧電部１７に対してその厚さ方向に対する向きが互いに逆の電圧を印加することができる。
　なお、第１電極部１９または第２電極部２１の電位の下部電極層７の電位に対する正負（基準電位に対する正負）は、図２（ｃ）および図２（ｄ）を参照して行った説明から理解されるように、変化してもよいし、変化しなくてもよい。また、変化しない場合において、正および負のいずれが利用されてもよい。また、２つの駆動部３５が出力する２種の信号は、極性が逆であることを除いて互いに同一の波形の信号であってもよいし、電圧の大きさが異なっていたり、位相が若干ずれていたりするなど、互いに異なる波形の信号であってもよい。また、下部電極層７と基準電位部とを接続しつつ、１つの駆動部３５によって極性が互いに逆の電位を第１電極部１９および第２電極部２１に付与してもよい。
　受信部３３は、送信部３１とは逆の原理によって、第１電極部１９および第２電極部２１から互いに逆の極性の電気信号を受信することができる。具体的には、例えば、受信部３３は、下部電極層７と第１電極部１９との間の電圧を検出する第１検知部３７Ａと、下部電極層７と第２電極部２１との間の電圧を検出する第２検知部３７Ｂとを有している（単に「検知部３７」ということがある。）。これらの検知部３７は、便宜的に増幅器を示す記号により示されているように、例えば、入力された電圧を増幅して出力する電圧アンプを含んで構成されている。また、受信部３３は、例えば、２つの検知部３７によって増幅された信号を極性を同一にしてから加算する演算部３９を有している。
　なお、第１電極部１９および第２電極部２１の電位は極性が逆であるから、これらに接続された１つの検知部３７によって両者の電位差を検出するようにしてもよい。また、第１検知部３７Ａおよび第２検知部３７Ｂが含む増幅器を電圧アンプに代えてチャージアンプとしてもよい。
（構成例２）
　図３（ｂ）は、送信部および受信部の構成の他の例を示す模式図である。
　この例において、第１圧電部１５および第２圧電部１７は、白抜きの矢印で示されているように、分極の向きが互いに逆向きとされている。なお、図示の例では、第１圧電部１５における分極の向きが下向きに、第２圧電部１７における分極の向きが上向きにされているが、逆に、第１圧電部１５において上向き、第２圧電部１７において下向きであってもよいことはもちろんである。そして、黒線の矢印で示されているように、送信部２３１は、厚さ方向（Ｄ３軸方向）に印加される電圧の向きが、第１圧電部１５と第２圧電部１７とで互いに同じ向きになるように、これらの電圧部に電圧を印加する。第１圧電部１５および第２圧電部１７は、分極の向きが互いに逆であるから、分極の向きと電圧の向きとの相対関係は、第１圧電部１５と第２圧電部１７とで逆となる。これにより、図２（ｃ）および図２（ｄ）を参照して説明したように、第１圧電部１５および第２圧電部１７の一方は平面方向において伸長し、他方は平面方向において縮小する。
　具体的には、例えば、第１電極部１９および第２電極部２１は互いに接続されている。送信部２３１は、この互いに接続された第１電極部１９および第２電極部２１（上部電極層１１）に接続された駆動部３５を有している。駆動部３５の構成は図３（ａ）と同様である。そして、駆動部３５は、上部電極層１１（１９および２１）と下部電極層７との間に電圧を印加する。
　なお、第１電極部１９または第２電極部２１の電位の下部電極層７の電位に対する正負は、図３（ａ）と同様に、変化してもよいし、変化しなくてもよい。また、変化しない場合において、正および負のいずれが利用されてもよい。また、上部電極層１１および下部電極層７のいずれか一方は、基準電位が付与されてもよい（電位が変化しなくてもよい）。
　受信部２３３は、送信部２３１とは逆の原理によって、第１電極部１９および第２電極部２１から互いに逆の極性を受信することができる。具体的には、例えば、受信部３３は、下部電極層７と上部電極層１１（互いに接続された第１電極部１９および第２電極部２１）との間の電圧を検出する検知部３７を有している。検知部３７の構成は図３（ａ）と同様である。
　なお、送信部２３１は、図３（ａ）の送信部３１と同様に、第１電極部１９と第２電極部２１とに対応して２つの駆動部３５を有していてもよい。この場合、例えば、２つの駆動部３５は、電圧の大きさが異なっていたり、位相が若干ずれていたりするなど、互いに異なる波形の信号を第１電極部１９および第２電極部２１に出力することができる。
（センサの製造方法）
　センサの製造方法は、第１圧電部１５および第２圧電部１７に互いに異なる材料が用いられることを除いては、公知の種々の製造方法と同様とされてよい。例えば、基体３となるウェハに対して薄膜形成およびパターニングの工程を繰り返して、メンブレン５、下部電極層７、圧電体層９および上部電極層１１を形成してよい。この際、第１圧電部１５の形成と、第２圧電部１７の形成とを、従来とは異なり、別個の薄膜形成およびパターニングの工程で行えばよい。
　なお、薄膜形成とパターニングとは、別個に行われてもよいし、マスクを介した薄膜形成によって同時に行われてもよい。また、第１圧電部１５および第２圧電部１７となる薄膜の形成方法には、公知の種々の方法が適用されてよい。例えば、圧電体の薄膜は、スパッタリングによって形成されてもよいし、ゾル状もしくはゲル状の圧電体を成膜して熱処理することによって形成されてもよい。分極方向は、圧電体の成膜時に結晶の向き等の制御によって設定されてもよいし、圧電体が強誘電体であれば、成膜後の分極処理によって設定されてもよい。
　以上のとおり、本実施形態では、センサ１は、キャビティ１３を覆う振動部５ａを有しているメンブレン５と、振動部５ａに重なっている下部電極層７と、下部電極層７の振動部５ａとは反対側に重なっている圧電体層９と、圧電体層９の下部電極層７とは反対側に重なっている上部電極層１１と、を有している。圧電体層９は、第１圧電部１５および第２圧電部１７を有している。第１圧電部１５は、圧電性の第１材料からなり、平面視において振動部５ａに少なくとも一部が重なっている。第２圧電部１７は、第１材料とはｇ定数およびｄ定数の少なくとも一方が異なる、圧電性の第２材料からなり、平面視において、第１圧電部１５の配置領域とは異なる領域に位置し、かつ少なくとも一部が振動部５ａに重なっている。
　従って、例えば、発信および受信の一方に適した第１材料からなる第１圧電部１５と、発信および受信の他方に適した第２材料からなる第２圧電部１７とを組み合わせることによって、発信強度および受信感度を向上させることができる。また、例えば、第１圧電部１５および第２圧電部１７を積層する場合に比較して、メンブレン５および圧電体層９を含む層が薄いことから、当該層の柔軟性を向上させることができる。また、例えば、圧電体層９においては、振動部５ａがその厚さ方向の一方に変位したときに、圧縮する領域と、伸縮する領域とが存在し、その応力の大きさも互いに異なるから、領域に応じて適宜な材料を選択することによって発信強度および／または受信感度を向上させることも可能である。
　本実施形態では、第１材料および第２材料の一方（例えばＰＺＴ）は、他方（例えばＡｌＮ）に対して、ｄ定数が大きく、ｇ定数が小さい。
　従って、例えば、ｄ定数が相対的に大きい前記一方の材料によって発信強度を向上させつつ、ｇ定数が相対的に大きい前記他方の材料によって受信感度を向上させることができる。
　本実施形態では、第１圧電部１５は、平面視において振動部５ａの中央に位置する部分を含んでいる。第２圧電部１７は、平面視において第１圧電部１５よりも振動部５ａの外側に位置する部分を含んでいる。
　従って、例えば、振動部５ａがその厚さ方向の一方側に変位したときに、第１圧電部１５および第２圧電部１７の一方は伸長する領域を含み、他方は縮小する領域を含むことになる。この変形の態様が互いに異なる領域に互いに異なる材料を配置することによって、発信強度および／または受信感度が向上する。
　例えば、上記のように第１圧電部１５が振動部５ａの中央に位置する部分を含む場合において、図２（ａ）に例示したように、第１材料は、第２材料よりもｄ定数が大きくされ、第２材料は、第１材料よりもｇ定数が大きくされる。
　この場合、例えば、発信に対する影響が大きい中央側に位置する第１圧電部１５に相対的にｄ定数が大きい材料を用いることによって発信強度を向上させることができる。一方、受信においては、振動部５ａの外側の応力が大きくなりやすい。従って、そのような外側に位置する第２圧電部１７にｇ定数が大きい材料を用いることによって受信感度を向上させることができる。
　また、例えば、上記のように第１圧電部１５が振動部５ａの中央に位置する部分を含む場合において、図２（ｂ）に例示したように、第１材料は、第２材料よりもｇ定数が大きくされ、第２材料は、第１材料よりもｄ定数が大きくされる。
　この場合、例えば、受信時において応力が大きくなりやすい外側に位置する第２圧電部１７にｄ定数が大きい材料を用いることになるから、受信に伴って生じる電荷が多くなりやすい。従って、例えば、検知部３７を構成する増幅器としてチャージアンプを用いている場合において、受信感度を向上させることができる。
　本実施形態では、第１圧電部１５は、振動部５ａの中央に位置する部分を含み、第２圧電部１７は、平面視において第１圧電部１５を囲むように半周を超える範囲に亘って延びている。
　従って、例えば、電圧が印加されたときの半径方向における伸縮量を大きくすることができる。具体的には、第２圧電部が第１圧電部１５を囲むように分散配置されている態様（後述する図４（ａ）参照）では、分散配置されている複数の部分同士は、直接的には相互に応力を及ぼし合わない。一方、本実施形態では、第２圧電部１７を構成する複数の部分同士は、円周方向において互いに応力を及ぼし合う。従って、第２圧電部１７は、ポアソン効果によって半径方向において変形しやすくなる。その結果、例えば、発信強度が向上する。受信感度についても同様に向上する。
　本実施形態では、第１圧電部１５は、振動部５ａの中央に位置する部分を含み、第２圧電部１７は、第１圧電部１５よりも振動部５ａの外側に位置する部分を含み、かつ振動部５ａに重なる面積が、その外側における面積よりも大きい。
　従って、第２圧電部１７は、振動部５ａの外側に位置する面積が振動部５ａに重なる面積よりも大きい態様（後述する図４（ｂ）参照）に比較して、振動部５ａの振動に直接的に影響しやすくなる。その結果、例えば、第２圧電部１７の材料を適切に設定することによる発信強度および／または受信感度の向上の効果が顕著になる。
（変形例）
　以下では、種々の変形例について説明する。なお、以下の説明では、基本的に実施形態との相違部分について述べる。特に言及がない事項は、実施形態と同様である。また、以下では、部材の形状等が実施形態と異なっていても、便宜上、実施形態と同様の符号を用いることがある。
（圧電体層の平面形状に係る変形例）
　図４（ａ）は、変形例に係るセンサ２０１の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）に対応している。
　センサ２０１は、圧電体層の平面形状および上部電極層２１１の平面形状が実施形態と相違する。なお、圧電体層の平面形状は、上部電極層２１１の平面形状と同様であり、図４（ａ）では、圧電体層は、上部電極層２１１に隠れて不図示である。便宜上、図４（ａ）の説明においては、圧電体層の符号として実施形態のものを用いる。後述する図４（ｂ）の説明においても同様である。
　センサ２０１において、第１圧電部１５（第１電極部１９）の平面形状は実施形態と同様である。また、第２圧電部１７（第２電極部２２１）は、実施形態と同様に、第１圧電部１５を囲む形状である。ただし、本変形例に係る第２圧電部１７は、実施形態とは異なり、第１圧電部１５を囲むように分散配置された複数の分割圧電部（分割電極部２２２）を有している。複数の分割圧電部の数は適宜に設定されてよく、また、複数の分割圧電部の形状および大きさは互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
　より具体的には、図示の例では、第２圧電部１７（第２電極部２２１）の平面形状は、実施形態の第２圧電部１７（第２電極部２１）の形状において、等間隔で一部を除去した形状である。従って、複数の分割圧電部（分割電極部２２２）は、互いに同一の形状であり、また、個々の形状は、概ね弧状（別の観点では扇形の内側を同心円で切り取った形状）である。また、分割圧電部（分割電極部２２２）それぞれは、キャビティ１３（振動部５ａ）に重なる面積がその外側の面積（図示の例では略０）よりも大きい。
　複数の分割電極部２２２は、例えば、互いに同電位とされる。図示の例では、複数の分割電極部２２２は、第２接続導体２２５によって互いに接続されている。接続導体２２５は、例えば、平面形状を除いては、実施形態の第２接続導体２５と同様のものである。
　このような第２圧電部１７の平面形状においては、例えば、第１接続導体２３を配置するために、第１圧電部１５の周囲において第２圧電部１７の非配置領域が形成されたとしても、第２圧電部１７の平面形状を３６０°／ｎ（ｎは２以上の整数）の回転対称の形状にすることができる。その結果、例えば、振動部５ａの撓みに偏りが生じるおそれを低減することができる。
　図４（ｂ）は、他の変形例に係るセンサ３０１の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）に対応している。
　センサ３０１は、圧電体層９の平面形状および上部電極層３１１の平面形状が実施形態と相違する。具体的には、センサ３０１において、第２圧電部１７（第２電極部３２１）は、キャビティ１３（振動部５ａ）に重なる面積（図示の例では略０）がその外側の面積よりも小さい。
　別の観点では、第２圧電部１７は、平面視において、振動部５ａに重なっているのではなく、振動部５ａに対して隣接している。ここでいう隣接は、例えば、平面視において振動部５ａと第２圧電部１７との離間距離が振動部５ａの最大径（円では直径）の１０％未満（０％を含む）であることをいう。また、例えば、複数のセンサが配列されている場合（図６のセンサ１参照）においては、平面視において振動部５ａと第２圧電部１７の前記振動部５ａに最も近い部分との離間距離が、前記最も近い部分と他の振動部５ａとの離間距離よりも短いことをいう。
　なお、第２圧電部１７（第２電極部３２１）の具体的な形状は、例えば、実施形態と同様に、第１圧電部１５（第１電極部１９）を囲むように概ね一定の幅で半周以上（さらには２７０°以上）の範囲に亘って延びる弧状である。具体的な形状は、図示とは異なり、図４（ａ）の変形例と同様に、第１圧電部１５を囲むように分散配置される形状であってもよい。
　このように、第２圧電部１７が平面視において振動部５ａに対して隣接する構成であっても、実施形態と同様の効果が奏される。例えば、第２圧電部１７は平面方向において伸長または収縮することによって、振動部５ａの外周部かつ上面に圧縮応力または引張応力を付与し、振動部５ａの外周部を撓み変形させることができる。
（圧電体層の厚さに係る変形例）
　図５（ａ）は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の厚さに係る変形例を示す模式的な断面図（断面を示すハッチングは省略）である。
　この図に示すように、第１圧電部１５は、第２圧電部１７に比較して厚くされていてもよい。厚さの差の程度は適宜に設定されてよい。例えば、第１圧電部１５は、第２圧電部１７に比較して１０％以上厚い。
　このような構成においては、例えば、第１圧電部１５は、厚くされることによって大きな力を生じやすくなる。一方、第１圧電部１５は、振動部５ａを変形させることに対して影響が大きい。従って、例えば、振動部５ａの変形量を大きくしやすくなり、ひいては、発信強度を向上させやすい。
　そこで、例えば、受信感度よりも発信強度が重要視される場合において、第２圧電部１７に比較して、ｄ定数が大きく、かつ厚い第１圧電部１５を形成することによって、重点的に発信強度を向上させることができる。また、例えば、諸般の事情により第１圧電部１５のｄ定数が第２圧電部１７よりも小さい場合において、第１圧電部１５を厚くして発信強度を確保することができる。
　図５（ｂ）は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の厚さに係る他の変形例を示す模式的な断面図（断面を示すハッチングは省略）である。
　この図に示すように、図５（ａ）とは逆に、第１圧電部１５は、第２圧電部１７に比較して薄くされてもよい。厚さの差の程度は適宜に設定されてよい。例えば、第２圧電部１７は、第１圧電部１５に比較して１０％以上厚い。
　このような構成においては、例えば、振動部５ａは、外周側における撓み量が大きくなりやすい。その結果、例えば、振動部５ａの外周側の撓みによる振動部５ａの中央側の変位を大きくしやすい。この場合、例えば、振動部５ａの中央側の撓みを大きくして振動部５ａの中央側の変位を大きくした場合に比較して、圧力波は平面波に近づく。その結果、例えば、センサの正面へ超音波を効率的に発信することが容易化される。
　そこで、例えば、第１圧電部１５に比較して、ｄ定数が大きく、かつ厚い第２圧電部１７を形成することによって、上記の平面波に近づく効果を増大させることができる。また、例えば、諸般の事情により第２圧電部１７のｄ定数が第１圧電部１５よりも小さい場合において、第２圧電部１７を厚くして上記の効果を確保することができる。
　図５（ａ）および図５（ｂ）を纏めると、第１圧電部１５および第２圧電部１７は、その厚さが互いに異なっていてもよく、いずれが厚くてもよい。厚さの大小関係と、材料の種類（ｄ定数またはｇ定数の大小関係）との関係も適宜に設定されてよい。なお、この第１圧電部１５および第２圧電部１７の厚さを互いに異ならせる構造は、第１圧電部１５および第２圧電部１７の材料が互いに同一のセンサに対して適用されてもよい。
（上部電極層の平面形状等に係る変形例）
　図５（ｃ）に示すように、第１圧電部１５および第２圧電部１７は、互いに接していてもよい。また、上部電極層５０１は、第１圧電部１５および第２圧電部１７に共通に設けられてもよい。なお、白抜きの矢印および駆動部３５から理解されるように、この場合の分極の向き、送信部の構成および受信部の構成は、例えば、図３（ｂ）の例と同様である。
　図５（ｄ）に示すように、第２電極部２１は、第２圧電部１７上に位置していなくてもよい。この例では、第２圧電部１７は、第１圧電部１５に隣接しているともに、白抜きの矢印で示されているように、分極の向きが第１圧電部１５の分極の向きとは逆にされている。また、第２電極部２１は、平面視において第２圧電部１７の外側に位置している。そして、駆動部３５は、下部電極層７と第２電極部２１とを同電位とし、これらと第１電極部１９との間に電圧を印加している。
　この場合、第１圧電部１５においては、黒線の矢印で示すように、実施形態と同様に、厚さ方向の電圧が印加され、ひいては、実施形態と同様の変形が生じる。一方、第２圧電部１７においては、黒線の矢印で示すように、平面方向の電圧が印加される。すなわち、分極方向に交差する方向の電圧が印加される。その結果、第２圧電部１７は、いわゆるせん断変形を生じる。このせん断変形によって、振動部５ａの中央側部分は、第１圧電部１５の変形によって撓む方向への変位が助長される。
　なお、この例では、圧電体層５０３のうち、第２圧電部１７よりも外側の部分は、互いに同電位の下部電極層７と第２電極部２１とに挟まれているから基本的に変形しない。当該部分は、分極していなくてもよい。
　図５（ｅ）は、センサの模式的な平面図であり、図１（ｂ）に対応している。図１（ｂ）と同様に、第１圧電部および第２圧電部は、第１電極部５０７および第２電極部５０９の形状と同じであり、これら電極部に隠れて不図示である。
　この図に示すように、キャビティ５０５（振動部）、第１圧電部（第１電極部５０７）および第２圧電部（第２電極部５０９）は、円形に限定されない。また、第１圧電部（第１電極部５０７）は、その全体がキャビティ１３の中央に位置していなくてもよい。第２圧電部（第２電極部５０９）は、第１圧電部（第１電極部５０７）を囲んでいなくてもよい。
　図示の例では、キャビティ５０５（振動部）は長方形である。第１圧電部（第１電極部５０７）は、キャビティ５０５の幅の中央においてキャビティ５０５の長さに亘って延びる長方形である。第２圧電部（第２電極部５０９）は、キャビティ５０５の幅方向両側において、キャビティ５０５の長さに亘って延びる長方形である。なお、第２圧電部（第２電極部５０９）は、図４（ｂ）等を参照して説明したように、キャビティ５０５に対して重なっていてもよいし、重なっていなくてもよい。
（応用例）
　図６は、センサ１の応用例としての超音波診断装置１０１の構成を模式的に示すブロック図である。
　超音波診断装置１０１は、例えば、患者に当接されるプローブ１０３と、プローブ１０３に接続されている可撓性のケーブル１０５と、ケーブル１０５を介してプローブ１０３に接続されている装置本体１０７とを備えている。
　プローブ１０３は、例えば、センサ基板１０９を有しており、センサ基板１０９は、平面方向（Ｄ１軸方向および／またはＤ２軸方向）に配列されている複数のセンサ１（変形例に係るセンサであってもよい）を有している。
　なお、特に図示しないが、複数のセンサ１は、基体３となるウェハに対する加工処理によって同時形成されてよい。基体３は、複数のセンサ１に亘って一体的に形成されていてよい。下部電極層７は、複数のセンサ１に亘って共通に（例えばベタ状に）形成されていてよい。隣り合うセンサ１同士で第２圧電部１７および／または第２電極部２１が互いに繋がっていてもよい。
　複数のセンサ１は、互いに同一の電気信号が入力されるものであってもよいし、互いに異なる電気信号（例えば、電子式走査のための、位相が若干ずれた電気信号）が入力されるものであってもよい。後者の場合においては、例えば、下部電極層７には複数のセンサ１に共通の電位（例えば基準電位）が付与され、上部電極層１１（第１電極部１９および第２電極部２１）に複数のセンサ１で別個の電位が付与されてよい。
　装置本体１０７は、例えば、ユーザ（例えば医師または技師）の操作を受け付ける入力部１１１と、入力部１１１からの信号に基づいて送信部３１を制御する制御部１１３とを有している。なお、送信部３１については既に述べたとおりである。また、装置本体１０７は、既に説明した受信部３３からの信号および制御部１１３からの信号に基づいて画像処理を行う画像処理部１１５と、画像処理部１１５からの信号に基づいて画像を表示する表示部１１７とを備えている。
　上記のような構成を備えていることにより、超音波診断装置１０１は、患者の断層画像を表示部１１７に表示することができる。なお、送信部３１および受信部３３の一部（例えば増幅器）は、プローブ１０３に設けられていてもよい。
　本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
　圧電体層の平面形状は、第１圧電部がキャビティ（振動部）の中央側に位置し、その外側に第２圧電部が位置するものに限定されない。例えば、平面視において振動部を図形重心付近を通る直線によって２等分し、その一方に第１圧電部が位置し、他方に第２圧電部が位置してもよい。この場合であっても、例えば、発信に適した材料で第１圧電部を構成し、受信に適した材料で第２圧電部を構成することによって、発信強度と受信感度とのバランスを好適なものとすることができる。ただし、実施形態のように、振動部の中央側と外側とで分けた方が、振動部の変形の対称性が確保されやすいし、変形の態様が異なる領域間で互いに材料を異ならせることができる。
　キャビティ（振動部）、第１圧電部および第２圧電部の平面形状は、例示した意外にも種々可能である。例えば、これらは楕円形状であってもよいし、矩形以外の多角形であってもよい。電極層および圧電体層は、メンブレンに対してキャビティとは反対側に重ねられたが、キャビティ側に重ねることも可能である。
　実施形態では、超音波センサとしてユニモルフ型のものを例示したが、バイモルフ型のものであってもよい。すなわち、圧電体層９とは分極の向きが逆向きの圧電体層を圧電体層９と下部電極層７との間、または圧電体層９と上部電極層１１との間に配置してよい。この場合において、メンブレン５は不要であり、また、圧電体層９において領域毎に（第１圧電部と第２圧電部とで）分極の向きが異なる場合は、圧電体層９に重なる圧電体層も領域毎に分極の向きが異なってよい。また、圧電体層９に重なる圧電体層は、全体が同一の材料によって構成されてもよいし、圧電体層９と同様に、領域毎に異なる材料によって構成されてもよい。
　実施形態では、第１圧電部および第２圧電部の双方に電圧を印加し、かつ第１圧電部および第２圧電部の双方から電気信号を取り出した。しかし、第１圧電部および第２圧電部のうち一方（例えば相対的に発振に適した材料からなる圧電部）のみに電圧を印加してもよいし、および／または第１圧電部および第２圧電部のうち他方（例えば相対的に受信に適した材料からなる圧電部）のみから電気信号を取り出してもよい。このような態様によって、例えば、発信強度および／または受信感度が向上することが期待される。
　１…センサ（超音波センサ）、５…メンブレン、５ａ…振動部、７…下部電極層、９…圧電体層、１１…上部電極層、１５…第１圧電部、１７…第２圧電部。

Claims (8)

  1. 　キャビティに対向している下部電極層と、
    　前記下部電極層上に位置している圧電体層と、
    　前記圧電体層上に位置している上部電極層と、
    　を有しており、
    　前記圧電体層は、
    　　圧電性の第１材料からなり、平面視において前記キャビティに少なくとも一部が重なっている第１圧電部と、
    　　前記第１材料とはｇ定数およびｄ定数の少なくとも一方が異なる、圧電性の第２材料からなり、平面視において、前記第１圧電部の配置領域とは異なる領域に位置し、かつ少なくとも一部が前記キャビティに重なっている、または隣接している第２圧電部と、を有している
    　超音波センサ。
  2. 　前記第１材料および前記第２材料の一方は、他方に対して、ｄ定数が大きく、ｇ定数が小さい
    　請求項１に記載に超音波センサ。
  3. 　前記第１圧電部は、平面視において前記キャビティの中央に位置する部分を含んでおり、
    　前記第２圧電部は、平面視において前記第１圧電部よりも前記キャビティの外側に位置する部分を含んでいる
    　請求項１または２に記載の超音波センサ。
  4. 　前記第１材料は、前記第２材料よりもｄ定数が大きく、
    　前記第２材料は、前記第１材料よりもｇ定数が大きい
    　請求項３に記載の超音波センサ。
  5. 　前記第１材料は、前記第２材料よりもｇ定数が大きく、
    　前記第２材料は、前記第１材料よりもｄ定数が大きい
    　請求項３に記載の超音波センサ。
  6. 　前記第２圧電部は、平面視において前記第１圧電部を囲むように半周を超える範囲に亘って延びている
    　請求項３～５のいずれか１項に記載の超音波センサ。
  7. 　前記第２圧電部は、前記キャビティに重なる面積が、その外側における面積よりも大きい
    　請求項３～６のいずれか１項に記載の超音波センサ。
  8. 　前記第１圧電部の厚さと前記第２圧電部の厚さとが互いに異なる
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の超音波センサ。
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