WO2023131986A1

WO2023131986A1 - 超音波トランスデューサの製造方法、超音波トランスデューサおよび測距装置

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Publication number: WO2023131986A1
Application number: PCT/JP2022/000027
Authority: WO
Inventors: 善明平田; 佳敬梶山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2022-01-04
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2023-07-13

Abstract

超音波トランスデューサ（１００）の製造方法は、次の工程を備えている。第１シリコン膜（１１１）と、第２シリコン膜（１１３）と、第１シリコン膜（１１１）と第２シリコン膜（１１３）とに挟まれた中間シリコン酸化膜（１１２）と含む第１ＳＯＩ基板が準備される。第１ＳＯＩ基板の第１シリコン膜（１１１）の上に圧電素子（１０７）が形成される。第２シリコン膜（１１３）にエッチング処理が施されることにより振動板（１０３）が形成される。第２シリコン膜（１１３）にシリコン基板が接続される。振動板（１０３）の振動音波を増幅させるように第１ＳＯＩ基板およびシリコン基板を含む音響共振構造（１００ａ）に開口（２０５）および空隙（１０１）が形成され、かつ振動板（１０３）と音響共振構造（１００ａ）の共振周波数が合わせられる。

Description

超音波トランスデューサの製造方法、超音波トランスデューサおよび測距装置

　本開示は、超音波トランスデューサの製造方法、超音波トランスデューサおよび測距装置に関するものである。

　自動車および搬送車の周辺監視またはデバイスの非接触操作の用途のための距離センサとして、超音波トランスデューサが用いられている。一般に普及している超音波トランスデューサには、バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）がアクチュエータとして用いられることが主流である。しかしながら、バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）がアクチュエータとして用いられた超音波トランスデューサでは、機械加工の加工精度により小型化に限界がある。このため、小型化が可能な超音波トランスデューサとしてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）超音波トランスデューサが開発されている。

　最も一般的なＭＥＭＳ超音波トランスデューサの構造は、薄膜型の振動板（メンブレン）を用いた構造である。振動板を含むＭＥＭＳ超音波トランスデューサの構造体の材料にはシリコンが用いられる。ＭＥＭＳ超音波トランスデューサは、深堀ドライエッチング（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の半導体技術により加工される。寸法精度の高い半導体技術を加工に適用することにより、機械加工で製造される従来品と比較し、振動板の小型化が可能である。

　超音波トランスデューサの音圧を向上させる方法として、音響共振構造の適用が知られている。例えば、特表２０１０－５１５３３５号公報（特許文献１）には、ＭＥＭＳマイクロフォンと、ＭＥＭＳマイクロフォンが内部に置かれた空洞と、マイクロフォンハウジングの表面の開口と、空洞から開口に延びている通路とを備えた音源追跡装置が記載されている。この音源追跡装置では、周波数の音響増幅器を形成するように通路および空洞の寸法が定められている。

特表２０１０－５１５３３５号公報

　上記公報に記載された音源追跡装置では、空洞、開口および通路が設けられたマイクロフォンハウジングが音響共振構造を形成する。上記公報に記載されたような音響共振構造を用いて超音波トランスデューサの音圧の大きな増幅効果を得るためには、振動板の共振周波数と音響共振構造の共振周波数を可能な限り近づける必要がある。したがって、振動板の小型化に伴い、音響共振構造にも高い寸法精度が求められる。特に小型化されたＭＥＭＳ超音波トランスデューサでは、音響共振構造の寸法を数１０ｕｍ以内の高精度で製造する必要がある。そのため、ＭＥＭＳ超音波トランスデューサが音響共振構造に格納される場合、精密なアセンブリ工程が必要になる。

　本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い寸法精度で振動板および音響共振構造を製造でき、かつ振動板と音響共振構造との共振周波数を合わせることにより大きな増幅効果を得ることができる超音波トランスデューサの製造方法、超音波トランスデューサおよび測距装置を提供することである。

　本開示の超音波トランスデューサの製造方法は、次の工程を備えている。第１シリコン膜と、第２シリコン膜と、第１シリコン膜と第２シリコン膜とに挟まれた中間シリコン酸化膜と含む第１ＳＯＩ基板が準備される。第１ＳＯＩ基板の第１シリコン膜の上に圧電素子が形成される。第１ＳＯＩ基板の第２シリコン膜および中間シリコン酸化膜にエッチング処理が施されることにより第１シリコン膜の振動板が形成される。第２シリコン膜にシリコン基板が接続される。振動板の振動音波を増幅させるように第１ＳＯＩ基板およびシリコン基板を含む音響共振構造に開口および空隙が形成され、かつ振動板と音響共振構造の共振周波数が合わせられる。

　本開示の超音波トランスデューサの製造方法によれば、高い寸法精度で振動板および音響共振構造を製造することができ、かつ振動板と音響共振構造との共振周波数を合わせることにより大きな増幅効果を得ることができる。

実施の形態１に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す斜視図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造方法の第３工程を示す概略断面図である。実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す概略断面図である。実施の形態３に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態３に係る超音波トランスデューサの変形例の構成を概略的に示す斜視図である。実施の形態４に係る超音波トランスデューサの調整法を示す断面模式図である。実施の形態４に係る超音波トランスデューサの変形例の調整法を示す断面模式図である。実施の形態５に係る超音波トランスデューサの調整法を示す概略断面図である。実施の形態５に係る超音波トランスデューサの変形例の調整法を示す概略断面図である。実施の形態６に係る測距装置の構成を概略的に示す模式図である。

　以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

　実施の形態１．
　図１および図２を参照して、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の構造を説明する。図１は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の斜視図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。

　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）超音波トランスデューサである。つまり、超音波トランスデューサ１００は、ＭＥＭＳにより一体的に構成されている。

　超音波トランスデューサ１００は、第１支持体１０２と、振動板１０３と、下部電極１０４、圧電薄膜１０５および上部電極１０６を含む圧電素子１０７と、第２支持体２０３と、可動板２０４とを主に備えている。圧電素子１０７は、振動板１０３の上に配置されている。可動板２０４に開口２０５が設けられている。開口２０５は、平面視において可動板２０４の中心に配置されている。開口２０５は、空隙１０１まで貫通するように形成されている。開口２０５は円柱状に構成されている。開口２０５は、空隙１０１に連通している。空隙１０１は、第１支持体１０２、振動板１０３、第２支持体２０３および可動板２０４に囲まれている。空隙１０１は、略円柱状に構成されている。開口２０５および空隙１０１の容積がキャビティ容積である。

　第１支持体１０２、振動板１０３、第２支持体２０３および可動板２０４の構造体の材料には、半導体製造技術の適用が容易であり、かつ弾性材料として優れた機械特性を有するシリコン（Ｓｉ）が望ましい。本実施の形態では、第１支持体１０２および振動板１０３はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）により構成されている。第２支持体２０３および可動板２０４はシリコン基板により構成されている。音響共振構造１００ａは、ＳＯＩ基板により構成された第１支持体１０２および振動板１０３と、シリコン基板により構成された第２支持体２０３および可動板２０４とを含んでいる。圧電素子１０７は音響共振構造１００ａに取り付けられている。ＳＯＩ基板により構成された振動板１０３は第１支持体１０２に接続されている。シリコン基板により構成された第２支持体２０３は第１支持体１０２に対して振動板１０３と反対側において第１支持体１０２に接続されている。シリコン基板により構成された可動板２０４は振動板１０３と向かい合うように第２支持体２０３に接続されている。圧電素子１０７は、音響共振構造１００ａの振動板１０３に接続されている。開口２０５および空隙１０１は、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせるように形成されている。下部電極１０４および上部電極１０６の材料には、圧電素子に一般的に使用されるチタン（Ｔｉ）膜と白金（Ｐｔ）膜との積層膜が望ましい。ただし、電極として十分な導電性を有し、下地等との良好な密着性を確保することができる膜であれば、他の積層膜が用いられてもよい。また、分極疲労を低減する効果があるとされる酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）膜等の酸化電極膜が、上部電極１０６と圧電薄膜１０５との間に介在されてもよい。圧電薄膜１０５には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または、ニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）等の材料が用いられる。

　続いて、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の動作を説明する。
　下部電極１０４と上部電極１０６との間に電圧が印加されることで、圧電薄膜１０５が収縮する。圧電薄膜１０５の収縮により、振動板１０３が屈曲する。振動板１０３の共振周波数に近い周波数で電圧が印加されることにより、振動板１０３が共振する。これにより、超音波トランスデューサ１００は、超音波を発生させることができる。

　また、超音波トランスデューサ１００が超音波センサとして用いられる場合には、超音波によって振動した振動板１０３の振動が圧電素子１０７によって電圧信号として取得される。

　空隙１０１および開口２０５の寸法は、振動板１０３の共振周波数と音響共振構造１００ａの共振周波数とが近づくように設定される。

　音響共振構造１００ａの共振周波数ｆ_ｈは、空隙１０１の直径Ｄ、開口２０５の直径ｄ、開口２０５の長さｌ_１、空隙の長さｌ_２、開口補正ａ、音速ｃ、開口２０５の面積Ｓ_ｍ、空隙１０１の容積Ｖ_ｃを用いて、次の式（１）で表される。なお、開口２０５の面積Ｓ_ｍは、下記の式（２）で表される。空隙の容積Ｖ_ｃは、下記の式（３）で表される。

　このように、空隙１０１と開口２０５の寸法が、振動板１０３の共振周波数と音響共振構造１００ａの共振周波数とが近づくように設定されることにより、振動板１０３の振動により発生する音の音圧を、音響共振により増幅することができる。

　また、超音波トランスデューサ１００が超音波センサとして用いられる場合には、受信する超音波の音圧を、音響共振で増幅することにより、より大きく振動板１０３を振動させることができる。これにより、振動板１０３に配置された圧電素子１０７の歪みが大きくなるため、より大きい信号を取得することができる。

　ここで振動板１０３の共振周波数と音響共振構造の共振周波数を一致させるためには調整機構が必要である。実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００では、可動板２０４を移動させることで空隙の長さｌ_２を変化させることによって、音響共振周波数を調整することができる。振動板１０３を振動させることによって開口２０５から発生する超音波出力を測定しながら可動板２０４の位置が調整される。そして、超音波出力の最適値を発生する位置で接着剤２０７により可動板２０４を固定することで最大増幅構造を得ることができる。

　次に、図３～図５を参照して実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を説明する。図３～図５は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の各製造工程での図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。超音波トランスデューサ１００は、ＭＥＭＳ製造技術により一体成形で製造される。

　図３（ａ）～（ｃ）は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法の第１工程を示す概略断面図である。図４（ａ）～（ｃ）は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法の第２工程を示す概略断面図である。図５（ａ）～（ｂ）は、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法の第３工程を示す概略断面図である。

　図３（ａ）を参照して、第１ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２００が準備される。図３（ａ）は、構造体加工前の第１ＳＯＩ基板２００の初期状態を示している。超音波トランスデューサ１００は、第１ＳＯＩ基板２００が加工されることで製造される。第１ＳＯＩ基板２００は、表面シリコン酸化膜１１０、第１シリコン膜１１１、中間シリコン酸化膜１１２、第２シリコン膜１１３を含んでいる。第１シリコン膜１１１は、表面シリコン酸化膜１１０の上に配置されている。中間シリコン酸化膜１１２は、第１シリコン膜１１１の上に配置されている。第２シリコン膜１１３は、中間シリコン酸化膜１１２の上に配置されている。中間シリコン酸化膜１１２は、第１シリコン膜１１１と第２シリコン膜１１３とに挟まれている。第１シリコン膜１１１の厚さは、たとえば、１μｍ以上１００μｍ以下である。第２シリコン膜１１３の厚さは、たとえば、１００μｍ以上６００μｍ以下である。表面シリコン酸化膜１１０の形成方法は各種あるが、面粗さを極めて小さくできる熱酸化法が好適である。

　図３（ｂ）を参照して、第１ＳＯＩ基板２００の第１シリコン膜１１１の上に圧電素子１０７が形成される。本実施の形態では、表面シリコン酸化膜１１０を介して、第１シリコン膜１１１の上に、下部電極１０４、圧電薄膜１０５および上部電極１０６の順に積層された圧電素子１０７が形成される。下部電極１０４、圧電薄膜１０５および上部電極１０６の各々は互いに積層された積層膜である。これら積層膜は、スパッタ法などにより成膜される。下部電極１０４および上部電極１０６の厚みは、たとえば０．１ｕｍであり、圧電薄膜１０５の厚みは、たとえば数ｕｍである。

　図３（ｃ）を参照して、第１ＳＯＩ基板２００の第２シリコン膜１１３および中間シリコン酸化膜１１２にエッチング処理が施される。エッチング処理は、深堀ドライエッチング（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）が望ましい。エッチング処理は、少なくとも中間シリコン酸化膜１１２が露出するまで行われる。中間シリコン酸化膜１１２は、エッチングストップ層となる。中間シリコン酸化膜１１２は、ドライエッチングなどのエッチング処理が施されることにより除去される。これにより、第１シリコン膜１１１の振動板１０３が形成される。第１シリコン膜１１１のダイヤフラムが振動板１０３を構成する。振動板１０３を形成する工程は、第２シリコン膜１１３に第１支持体１０２を形成する工程を含んでいる。

　図４（ａ）を参照して、シリコン基板２１０は表面にシリコン酸化膜２０２を有する。シリコン酸化膜２０２の第２シリコン膜１１３との接合部に接着層２０１が形成される。接着層２０１は、ポリイミドなどの有機系接着剤、シリコンと共晶層を形成するアルミニウムまたは金などの金属などである。基板接合に表面活性化接合など基板同士の直接接合が用いられる場合、接着層２０１は不要である。

　図４（ｂ）を参照して、第２シリコン膜１１３にシリコン基板２１０が接続される。本実施の形態では、第２シリコン膜１１３に接着層２０１を介してシリコン基板２１０のシリコン酸化膜２０２が接合される。

　図４（ｃ）～図５（ｂ）を参照して、振動板１０３の振動音波を増幅させるように第１ＳＯＩ基板２００およびシリコン基板２１０を含む音響共振構造１００ａに開口２０５および空隙１０１が形成され、かつ振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数が合わされる。共振周波数を合わせる工程は、シリコン基板２１０に溝２０６を形成して可動板２０４および第１支持体１０２に接続された第２支持体２０３を形成し、かつ可動板２０４を第２支持体２０３に対して可動させて空隙１０１の容積を変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。共振周波数を合わせる工程は、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせた状態で可動板２０４を第２支持体２０３に固定する工程を含んでいる。

　図４（ｃ）を参照して、シリコン基板２１０に深掘ドライエッチング（ＤＲＩＥ）で貫通エッチングが施される。これにより、可動板２０４、開口２０５、溝２０６が形成される。シリコン酸化膜２０２は、エッチングストップ層となる。深掘ドライエッチング（ＤＲＩＥ）の後、貫通部のシリコン酸化膜２０２がドライエッチングなどにより除去される。

　図５（ａ）を参照して、接着剤２０７が溝２０６を埋めるように塗布される。接着剤２０７は、熱硬化性樹脂またはＵＶ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）硬化性樹脂などの位置調整後に固定可能な接着剤が用いられる。溝２０６への接着剤２０７の形成法には、スクリーン印刷、ディスペンサー描画などの高アスペクトの溝上にパターンを形成できる手法が用いられる。

　図５（ｂ）を参照して、圧電素子１０７に電圧を印加して開口２０５から出力される音圧を観測しながら、または外部より音波を開口２０５に入力して圧電素子１０７の振動を観測しながら、可動板２０４の位置が調整される。これにより、最適な空隙１０１の容積が決められる。加熱またはＵＶ照射などで接着剤２０７が固定される。なお、この調整は、ウエハ状態で実施されても構わないが、図５（ａ）に示されるように接着剤２０７が溝２０６を埋めるように塗布されてからチップが切り離されパッケージにアセンブリされた後に実施されてもよい。

　次に、実施の形態１の作用効果を説明する。
　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、振動板１０３の振動音波を増幅させるように第１ＳＯＩ基板２００およびシリコン基板２１０を含む音響共振構造１００ａに開口２０５および空隙１０１が形成され、かつ振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数が合わされる。このため、寸法精度の高い半導体技術を用いて振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。これにより、高い寸法精度で振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。さらに、振動板１０３と音響共振構造１００ａとの共振周波数を合わせることにより大きな増幅効果を得ることができる。

　また、超音波トランスデューサ１００はＭＥＭＳ超音波トランスデューサである。このため、ＭＥＭＳにより高い寸法精度で振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。例えば、１μｍ以上１０μｍ以下の誤差範囲内の寸法精度で振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。

　また、超音波トランスデューサ１００はＭＥＭＳ超音波トランスデューサであるため、ウェハプロセスによる一括大量生産により、安価に製造することができる。

　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、シリコン基板２１０に溝２０６を形成して可動板２０４および第１支持体１０２に接続された第２支持体２０３を形成し、かつ可動板２０４を第２支持体２０３に対して可動させて空隙１０１の容積を変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。このため、可動板２０４を第２支持体２０３に対して可動させて空隙１０１の容積を変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせることができる。したがって、音響共振構造１００ａの共振周波数を調整することができる。

　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせた状態で可動板２０４を第２支持体２０３に固定する工程を含んでいる。このため、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせた状態で可動板２０４を第２支持体２０３に固定することができる。したがって、音響共振構造１００ａの調整された共振周波数を固定することができる。

　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００によれば、第音響共振構造１００ａは、ＳＯＩ基板により構成された第１支持体１０２および振動板１０３と、シリコン基板により構成された第２支持体２０３および可動板２０４とを含んでいる。このため、寸法精度の高い半導体技術を用いて振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。これにより、高い寸法精度で振動板１０３および音響共振構造１００ａを製造することができる。さらに、開口２０５および空隙１０１は、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせるように形成されている。このため、振動板１０３と音響共振構造１００ａとの共振周波数を合わせることにより大きな増幅効果を得ることができる。

　実施の形態２．
　実施の形態２は、特に説明しない限り、実施の形態１と同一の構造、製造方法および作用効果を有している。

　図６を参照して、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の構造および製造方法を説明する。

　図６（ａ）～（ｃ）は、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を示す概略断面図である。また、図６（ｃ）は、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の構造を示す概略断面図である。

　図６（ａ）を参照して、実施の形態２では、実施の形態１のシリコン基板２１０（図４（ａ）参照）に代わり、第２ＳＯＩ基板３００が用いられる。つまり、実施の形態１のシリコン基板２１０（図４（ａ）参照）は、第２ＳＯＩ基板３００である。第２ＳＯＩ基板３００が第２シリコン膜１１３に接着層２０１を用いて貼り付けられる。第２ＳＯＩ基板３００は、ＳＯＩ活性層３０１と、ＳＯＩ支持層３０２と、ＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３と、ＳＯＩ表面酸化膜３０４とを含んでいる。ＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３は、ＳＯＩ活性層３０１とＳＯＩ支持層３０２とに挟まれている。ＳＯＩ活性層３０１は、ＳＯＩ表面酸化膜３０４の上に配置されている。

　共振周波数を合わせる工程は、ＳＯＩ活性層３０１、ＳＯＩ支持層３０２およびＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３にエッチング処理が施されることによりＳＯＩ活性層３０１の可動板２０４が形成される。第２ＳＯＩ基板３００の活性層３０１には、第２ＳＯＩ基板３００が第２シリコン膜１１３に貼り付けられる前に、開口２０５および溝２０６が深掘りドライエッチング（ＤＲＩＥ）で加工されている。ＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３はエッチングストップ層となる。

　図６（ｂ）を参照して、ＳＯＩ支持層３０２に深掘りドライエッチング（ＤＲＩＥ）によりエッチング処理が施される。ＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３は、エッチングストップ層となる。深掘りドライエッチング（ＤＲＩＥ）の後、ＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３は、ドライエッチングなどにより除去される。このようにして、可動板２０４が形成される。

　図６（ｃ）を参照して、接着剤２０７が図６（ｂ）に示される溝２０６を埋めるように塗布される。圧電素子１０７に電圧を印加して開口２０５から出力される音圧を観測しながら、または外部より音波を開口２０５に入力して圧電素子１０７の振動を観測しながら、可動板２０４の位置が調整される。これにより、最適な空隙１０１の容積が決められる。ＳＯＩ支持層３０２は第２支持体２０３を構成している。

　次に、実施の形態２の作用効果を説明する。
　実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、ＳＯＩ活性層３０１、ＳＯＩ支持層３０２およびＳＯＩ中間シリコン酸化膜３０３にエッチング処理が施されることによりＳＯＩ活性層３０１の可動板２０４が形成される。このため、可動板２０４がＳＯＩ活性層３０１で形成されるため、可動板２０４の厚みがＳＯＩ活性層３０１の厚みで決められる。このため、可動板２０４の厚みの調整が容易となる。特に可動板２０４が薄い場合、効果が大きい。

　実施の形態３．
　実施の形態３は、特に説明しない限り、実施の形態１または２と同一の構造、製造方法および作用効果を有している。

　図７を参照して、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の構造および製造方法を説明する。図７は、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の斜視図である。

　共振周波数を合わせる工程は、シリコン基板２１０に可動板２０４と第２支持体２０３とを接続する梁４０１を形成する工程を含んでいる。開口２０５を有する可動板２０４と第２支持体２０３とが梁４０１により連結されている。梁４０１は弾性を有している。梁４０１は、開口２０５および可動板２０４と同時に深掘りドライエッチング（ＤＲＩＥ）で形成される。つまり、梁４０１の周囲にスリットが設けられる。

　図７に示される実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００では、実施の形態１に示される可動板２０４が４本の梁４０１で第２支持体２０３に支持されている。

　図８を参照して、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の構造および製造方法を説明する。図８は、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の斜視図である。

　図８に示される実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の変形例では、実施の形態２に示されるＳＯＩ基板３００のＳＯＩ活性層３０１により形成された可動板２０４が梁４０１でＳＯＩ活性層３０１に支持されている。梁４０１もＳＯＩ活性層３０１で形成されている。

　次に、実施の形態３の作用効果を説明する。
　実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、シリコン基板２１０に可動板２０４と第２支持体２０３とを接続する梁４０１を形成する工程を含んでいる。このため、可動板２０４が梁４０１で支持されることで、製造中もしくは可動板２０４位置調整中に可動板２０４が分離しないため、製造を簡略化することができる。

　実施の形態４．
　実施の形態４は、特に説明しない限り、実施の形態１または２と同一の構造、製造方法および作用効果を有している。

　図９を参照して、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の調整法を説明する。図９は、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の調整法を示す断面模式図である。

　共振周波数を合わせる工程は、治具電極５０１の静電引力により可動板２０４を第２支持体２０３に対して可動させる工程を含んでいる。治具電極５０１が可動板２０４の上に設置される。治具電極５０１と可動板２０４間に図中白抜き矢印で示されるように静電引力がかけられる。これにより、可動板２０４が最適位置に調整される。

　図９に示される実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の調整法では、実施の形態１で示されたシリコン基板２１０が可動板２０４に適用されている。

　図１０を参照して、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法を説明する。図１０は、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法を示す断面模式図である。

　図１０に示される実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法では、実施の形態２で示された第２ＳＯＩ基板３００が可動板２０４に適用されている。治具電極５０１は、ＳＯＩ支持層３０２の上に設置される。

　次に、実施の形態４の作用効果を説明する。
　実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、治具電極５０１の静電引力により可動板２０４を第２支持体２０３に対して可動させる工程を含んでいる。このため、可動板２０４の位置調整を高精度化することができる。また、可動板２０４の位置調整を簡略化することもできる。

　実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、治具電極５０１は、ＳＯＩ支持層３０２の上に設置される。実施の形態３に示した梁４０１で支持される可動板２０４に、実施の形態４の調整法が適用されると、静電引力と梁４０１のバネ力の釣り合いで可動板２０４の位置が調整されるため、より高精度な位置調整が可能となる。

　実施の形態５．
　実施の形態５は、特に説明しない限り、実施の形態１と同一の構造、製造方法および作用効果を有している。

　図１１を参照して、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の調整法を説明する。図１１は、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の調整法を示す断面図である。

　実施の形態１～４に示された超音波トランスデューサ１００の音響共振構造１００ａの共振周波数の調整法では、可動板２０４の位置調整により音響共振構造１００ａの容積が調整される。本実施の形態では、実施の形態１～４とは異なる調整法が用いられる。

　図１１に示される実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の調整法では、開口２０５の長さが調整されることにより共振周波数が合わされる。共振周波数を合わせる工程は、開口２０５の長さを変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。開口２０５の長さは、エッチングマスク６０１から露出した可動板２０４の厚さがドライエッチングなどで薄くされることにより調整される。

　図１２を参照して、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法を説明する。図１２は、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法を示す断面図である。

　図１２に示される実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の変形例の調整法では、開口２０５の面積が調整されることにより共振周波数が合わされる。共振周波数を合わせる工程は、開口２０５の面積を変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。開口２０５の面積は、エッチングマスク６０１で開口２０５が覆われた状態で、二フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）などのシリコン等方性エッチング技術が用いられて、開口２０５の径が調整されることにより調整される。

　次に、実施の形態５の作用効果を説明する。
　実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、開口２０５の長さを変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。このため、開口２０５の長さを変化させることにより音響共振構造１００ａの共振周波数を調整することができる。これにより、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせることができる。

　また、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、共振周波数を合わせる工程は、開口２０５の面積を変化させることにより振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせる工程を含んでいる。このため、開口２０５の面積を変化させることにより音響共振構造１００ａの共振周波数を調整することができる。これにより、振動板１０３と音響共振構造１００ａの共振周波数を合わせることができる。

　実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法では、音響共振構造１００ａの共振周波数の調整法は、ドライエッチング、薄膜形成などのプロセス装置が必要であるが、調整範囲が広い利点がある。そのため、実施の形態５に係る調整法と実施の形態１～４に示した可動板２０４の位置調整とを組み合わせることにより、調整範囲が広く、かつ高精度な共振周波数の調整が可能となる。

　実施の形態６．
　図１３を参照して、実施の形態６に係る測距装置７０１の構成を説明する。実施の形態６に係る測距装置７０１は、実施の形態１～５のいずれかに係る超音波トランスデューサ１００を含んでいる。

　測距装置７０１は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いて測距装置７０１から対象物７０２までの距離を測定することが可能である。

　図１３は、測距装置７０１を用いてＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式により対象物７０２までの距離の測定を模式的に示した模式図である。送信波７０３が実線で示されている。対象物７０２からの反射波７０４が破線で示されている。測距装置７０１は、振動板と、振動板上に配置された圧電素子と、音響共振構造とを構成として含んでいる。圧電素子に電気信号が入力され、振動板の共振周波数で振動板が振動することにより、その周波数の超音波が発生する。超音波は音響共振構造により増幅され、測距装置７０１から、送信波７０３として送信される。超音波は対象物７０２で反射し、反射波７０４として測距装置７０１に到達する。到達した超音波は、音響共振構造により増幅されて、振動板を共振させる。振動板の振動は、振動板上に配置された圧電素子により、電気信号として受信される。測距装置７０１から対象物７０２の間の距離Ｌ、音波の送信から受信までにかかった時間ｔ、音速ｃを用いて、距離Ｌはｃ×ｔ／２（Ｌ＝ｃ×ｔ／２）により算出可能である。

　次に、実施の形態６に係る測距装置７０１の作用効果を説明する。
　実施の形態１～５のいずれかに記載の超音波トランスデューサ１００を測距装置７０１に適用することで、発生音圧および感度を向上することができる。このため、測距装置７０１の検知距離を向上することができる。

　上記の各実施の形態を適宜組み合わせることが可能である。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１００　超音波トランスデューサ、１００ａ　音響共振構造、１０１　空隙、１０２　第１支持体、１０３　振動板、１０４　下部電極、１０５　圧電薄膜、１０６　上部電極、１０７　圧電素子、１１０　表面シリコン酸化膜、１１１　第１シリコン膜、１１２　中間シリコン酸化膜、１１３　第２シリコン膜、２００　第１ＳＯＩ基板、２０１　接着層、２０２　シリコン酸化膜、２０３　第２支持体、２０４　可動板、２０５　開口、２０６　溝、２０７　接着剤、２１０　シリコン基板、３００　第２ＳＯＩ基板、３０１　活性層、３０２　支持層、３０３　ＳＯＩ中間シリコン酸化膜、３０４　表面酸化膜、４０１　梁、５０１　治具電極、７０１　測距装置。

Claims

　第１シリコン膜と、第２シリコン膜と、前記第１シリコン膜と前記第２シリコン膜とに挟まれた中間シリコン酸化膜と含む第１ＳＯＩ基板を準備する工程と、
　前記第１ＳＯＩ基板の前記第１シリコン膜の上に圧電素子を形成する工程と、
　前記第１ＳＯＩ基板の前記第２シリコン膜および前記中間シリコン酸化膜にエッチング処理が施されることにより前記第１シリコン膜の振動板を形成する工程と、
　前記第２シリコン膜にシリコン基板を接続する工程と、
　前記振動板の振動音波を増幅させるように前記第１ＳＯＩ基板および前記シリコン基板を含む音響共振構造に開口および空隙を形成し、かつ前記振動板と前記音響共振構造の共振周波数を合わせる工程とを備えた超音波トランスデューサの製造方法。
　前記振動板を形成する工程は、前記第２シリコン膜に第１支持体を形成する工程を含み、
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記シリコン基板に溝を形成して可動板および前記第１支持体に接続された第２支持体を形成し、かつ前記可動板を前記第２支持体に対して可動させて前記空隙の容積を変化させることにより前記振動板と前記音響共振構造の共振周波数を合わせる工程を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記振動板と前記音響共振構造の前記共振周波数を合わせた状態で前記可動板を前記第２支持体に固定する工程を含む、請求項２に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記シリコン基板は、第２ＳＯＩ基板であり、
　前記第２ＳＯＩ基板は、ＳＯＩ活性層と、ＳＯＩ支持層と、前記ＳＯＩ活性層と前記ＳＯＩ支持層とに挟まれたＳＯＩ中間シリコン酸化膜とを含み、
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記ＳＯＩ活性層、前記ＳＯＩ支持層および前記ＳＯＩ中間シリコン酸化膜にエッチング処理が施されることにより前記ＳＯＩ活性層の前記可動板を形成する工程を含む、請求項２または３に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記シリコン基板に前記可動板と前記第２支持体とを接続する梁を形成する工程を含む、請求項２に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記共振周波数を合わせる工程は、治具電極の静電引力により前記可動板を前記第２支持体に対して可動させる工程を含む、請求項２に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記シリコン基板は、第２ＳＯＩ基板であり、
　前記第２ＳＯＩ基板は、ＳＯＩ支持層を含み、
　前記治具電極は、前記ＳＯＩ支持層の上に設置される、請求項６に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記開口の長さを変化させることにより前記振動板と前記音響共振構造の前記共振周波数を合わせる工程を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　前記共振周波数を合わせる工程は、前記開口の面積を変化させることにより前記振動板と前記音響共振構造の前記共振周波数を合わせる工程を含む、請求項１に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
　ＳＯＩ基板により構成された第１支持体および振動板と、シリコン基板により構成された第２支持体および可動板とを含む音響共振構造と、
　前記音響共振構造に取り付けられた圧電素子とを備え、
　前記ＳＯＩ基板により構成された前記振動板は前記第１支持体に接続されており、
　前記シリコン基板により構成された前記第２支持体は前記第１支持体に対して前記振動板と反対側において前記第１支持体に接続されており、
　前記シリコン基板により構成された前記可動板は前記振動板と向かい合うように前記第２支持体に接続されており、
　前記圧電素子は、前記音響共振構造の前記振動板に接続されており、
　前記可動板に開口が設けられており、
　前記開口は、前記第１支持体、前記振動板、前記第２支持体および前記可動板に囲まれた空隙に連通しており、
　前記開口および前記空隙は、前記振動板と前記音響共振構造の共振周波数を合わせるように形成されている、超音波トランスデューサ。
　請求項１０に記載の超音波トランスデューサを備えた、測距装置。