JP2011082624A - Proximity ultrasonic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、近接超音波センサに関し、より詳細には、例えば、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔検知に適用可能にする近接超音波センサに関する。 The present invention relates to a proximity ultrasonic sensor, and more specifically, for example, detection of opening / closing of a foldable open / close lid or a sliding open / close lid, or a person in close proximity during a call, regardless of the color or transparency of the casing of a mobile phone. The present invention relates to a proximity ultrasonic sensor that can be applied to face detection.
一般に、超音波トランスデューサーから超音波を送信し、この反射波を受信することにより、物体の有無あるいは物体までの距離を測定する超音波センサはよく知られており、このような超音波センサは、物体検知用センサや測距用センサとして各種装置に用いられている。また、測距用センサとしては、近距離の検知ができるように送信用と受信用の超音波トランスデューサーを別々に設けるものも知られている。 In general, ultrasonic sensors that measure the presence or absence of an object or the distance to an object by transmitting ultrasonic waves from an ultrasonic transducer and receiving the reflected waves are well known. It is used in various devices as an object detection sensor and a distance measurement sensor. In addition, as a distance measuring sensor, there is also known a sensor having a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer separately so as to detect a short distance.
また、半導体の薄膜形成技術の発展に伴い、基板上に薄膜を形成した薄膜デバイス、例えば、半導体基板に圧電体薄膜を形成してなる超音波センサも多く提案されている。この種の超音波センサにおける薄膜形成技術は、エレクトロニクス分野、特に、半導体製造プロセスを中心に発展してきたものである。 With the development of semiconductor thin film formation technology, many thin film devices in which a thin film is formed on a substrate, for example, an ultrasonic sensor formed by forming a piezoelectric thin film on a semiconductor substrate have been proposed. The thin film formation technology in this type of ultrasonic sensor has been developed mainly in the electronics field, particularly in the semiconductor manufacturing process.
例えば、特許文献１に記載のものは、この種の超音波センサに関するもので、メンブレンが形成された半導体基板と、このメンブレン上に形成された下部電極と、この下部電極の表面に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜の表面に形成された上部電極と、圧電薄膜及び両電極を覆うようにして半導体基板の表面にフロロカーボンの薄膜を形成したものである。このフロロカーボンの薄膜は、高分子ポリマーであるため、圧電薄膜に比べて低密度で薄膜内部の音速が遅くなるので、この薄膜の音響インピーダンスが非常に小さくなり、空気との音響マッチングが良く、音圧に対する受信感度を向上させることができる。
For example, the one described in
また、特許文献２に記載のものは、ＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：マイクロマシンプロセスを用いた超音波トランスデューサー）に関するもので、超音波を送信させるための第１の電極と、この第１の電極が形成されている基板と、第１の電極と所定の空間を隔てて対向している接地電極である第２の電極と、この第２の電極が形成され、第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより振動して前記超音波を発生させるメンブレンと、このメンブレンと接している圧電膜と、この圧電膜と導通している第３の電極とを備えたものである。そして、超音波送信時と超音波受信時にそれぞれ切り替え手段によりオフ・オン状態にするもので、超音波内視鏡スコープに用いられるものである。
In addition, the device described in
また、上述したように、測距用センサとしては、近距離の検知ができるように送信用と受信用の超音波トランスデューサーを別々に設けるものも知られているが、このような従来の超音波センサで近距離の物体を検知しようとしても、送信用の超音波トランスデューサーから送信された超音波が、送信用の超音波トランスデューサーを取り付けた部材などで回折して直接受信用の超音波トランスデューサーに受信されてしまい、物体からの反射波との区別がつかないために近距離の測距には限界があった。そのために、例えば、特許文献３に記載のように、送信用トランスデューサーと受信用トランスデューサーとの間に、送信用トランスデューサーら受信用トランスデューサーへ直接伝播する超音波を規制するための仕切板を設けたものがある。
In addition, as described above, as a distance measuring sensor, a transmitter and a receiving ultrasonic transducer are separately provided so that a short distance can be detected. Even if an ultrasonic sensor is used to detect an object at a short distance, the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer for transmission is diffracted by a member to which the ultrasonic transducer for transmission is attached and directly received ultrasonic waves are received. Since it is received by the transducer and cannot be distinguished from the reflected wave from the object, distance measurement at a short distance has a limit. For this purpose, for example, as described in
また、特許文献４には、手を携帯電話にかざすと近接覚センサである超音波センサがその接近を検知し、時刻情報、着信情報等の音声応答や表示部のバックライトの点灯を行う機能を有する携帯電話が提案されている。 Patent Document 4 discloses a function in which an ultrasonic sensor, which is a proximity sensor, detects an approach when a hand is held over a mobile phone, and a voice response such as time information and incoming information is turned on and a backlight of a display unit is turned on. There has been proposed a mobile phone having
上述した特許文献１のものは、半導体基板に薄膜を形成し、この薄膜の上面に圧電体を形成した超音波センサという点では本発明と類似しているが、その目的は、残響振動を短くするとともに、残留応力を低減することで感度を向上させた超音波センサを提供することであって、空気中に送波された超音波の反射波を受波することによって、超音波の伝搬時間から三次元空間における物体の位置や形状を検出するもので、圧電薄膜上に低密度物質としてフロロカーボンの薄膜を形成したことが開示されている。しかしながら、この特許文献１のものは、受信用の超音波トランスデューサーについて開示したものであって、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。
The above-mentioned
また、上述した特許文献２のものは、超音波内視鏡スコープに用いられた超音波トランスデューサーに関し、超音波送信時と超音波受信時にそれぞれ切り替え手段によりオフ・オン状態にするもので、送受信用の超音波トランスデューサーを兼用するものであり、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。
In addition, the above-mentioned
また、上述した特許文献３のものは、送信用トランスデューサーと受信用トランスデューサーとの間に、送信用トランスデューサーから受信用トランスデューサーへ直接伝播する超音波を規制するための仕切板を設けたものであるが、物体の肉厚や欠陥を検出する探傷装置における超音波センサであって、携帯電話の折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔検知にそのまま適用することは困難である。
Further, in the above-mentioned
また、上述した特許文献４のものは、手を携帯電話にかざすと近接覚センサである超音波センサがその接近を検知するものであるが、携帯電話の折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出を行うものではなく、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置した超音波センサについては何ら開示されていない。 Further, in the above-mentioned Patent Document 4, an ultrasonic sensor as a proximity sensor detects the approach when a hand is held over a mobile phone. There is no disclosure of an ultrasonic sensor that does not perform open / close detection and has an ultrasonic transducer for transmission and an ultrasonic transducer for reception integrally disposed adjacent to each other.
このように、従来の超音波センサでは実現できないような、Ｓｉ基板上に圧電膜にＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用い、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるようにした近接超音波センサの開発が望まれていた。 As described above, AlN (aluminum nitride) is used as the piezoelectric film on the Si substrate, which cannot be realized by the conventional ultrasonic sensor, and the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer are adjacent to each other. There has been a demand for the development of a proximity ultrasonic sensor that is integrally arranged to suppress sound wraparound and reverberation vibration.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを隣接して一体的に配置し、音の回り込みや残響振動を抑えるようにした近接超音波センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to arrange an ultrasonic transducer for transmission and an ultrasonic transducer for reception integrally adjacent to each other so as to make sound. An object of the present invention is to provide a proximity ultrasonic sensor that suppresses wraparound and reverberation vibration.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられた積層体とをそれぞれ有する送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとを備えた近接超音波センサであって、前記積層体が、前記シリコン基板上に設けられた支持層と、該支持層上に設けられた第１の電極と、該第１の電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２の電極とから構成され、前記送信用の超音波トランスデューサーと前記受信用の超音波トランスデューサーとが、空隙部を介して隣接して一体的に配置されていることを特徴とする。（実施例１乃至５、図２乃至６に対応）
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極とからなる第１の仕切体を設けたことを特徴とする。（実施例３、図４に対応）
The invention according to
また、請求項３記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする。
The invention described in
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空隙部で、かつ前記支持層上に、前記第１の電極と、前記圧電体層と、前記第２の電極と、該第２の電極上に設けられ、前記送信用の超音波トランスデューサーから発信される音波を吸収または反射する音響部材とからなる第２の仕切体を設けたことを特徴とする。（実施例４、図５に対応） According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode are formed in the gap and on the support layer. And a second partition member that is provided on the second electrode and includes an acoustic member that absorbs or reflects a sound wave transmitted from the transmitting ultrasonic transducer. (Corresponding to Example 4 and FIG. 5)
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記送信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極又は前記受信用の超音波トランスデューサーに用いられる第２の電極に前記音響部材が設けられていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the second electrode used in the transmission ultrasonic transducer or the second electrode used in the reception ultrasonic transducer. The acoustic member is provided on the electrode.
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記第２の仕切体に溝が設けられたことを特徴とする。（実施例５、図６に対応）
The invention according to
また、請求項７に記載の発明は、請求項４，５又は６に記載の発明において、前記第２の仕切体が、送信音波の位相に対して所定の位相で駆動されることを特徴とする。（実施例４，５、図５，６に対応）
The invention according to
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記圧電体層が、窒化アルミニウムからなることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記積層体が、マイクロマシンプロセスにより形成されたものであることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとが空隙部を介して隣接して一体的に配置するようにしたので、既存の集積回路プロセスをそのまま適用可能であり、駆動に必要な電力がそれほど要らず、サイズ小型化や生産コスト低価格化が可能である。また、超音波センサを用いているので、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、通話時に近接した人顔や人体検知に適用可能である。特に、赤外線センサの場合は、黒色は吸収され、光センサの場合は、透明なものは透過してしまうので、発信波が反射した後の信号受信が上手くできなかったというこれまでの問題点が解決される。 According to the present invention, since the ultrasonic transducer for transmission and the ultrasonic transducer for reception are integrally arranged adjacent to each other through the gap, the existing integrated circuit process can be applied as it is. Therefore, the power required for driving is not so much, and the size can be reduced and the production cost can be reduced. In addition, because it uses an ultrasonic sensor, it can be used to detect the opening and closing of a foldable open / close lid and a sliding open / close lid, and to detect human faces and human bodies that are close to each other during a call, regardless of the color or transparency of the mobile phone case. Is possible. In particular, in the case of an infrared sensor, black is absorbed, and in the case of an optical sensor, a transparent object is transmitted. Therefore, there has been a conventional problem that signal reception after a transmitted wave has not been reflected successfully. Solved.
まず、本発明の前提となる先願発明である特願平２００８−１０８１２８号の内容について以下に説明する。
図１は、先願発明における超音波センサを説明するための断面構成図で、図中符号１はシリコン基板、２は支持層、３は第１の電極、４は窒化アルミニウムからなる圧電体層、５は第２の電極、６は積層体のダイアフラム領域を示している。なお、積層体とは、支持層２と第１の電極３と圧電体層４と第２の電極５からなっている。
First, the contents of Japanese Patent Application No. 2008-108128, which is a prior invention, which is the premise of the present invention, will be described below.
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram for explaining an ultrasonic sensor according to the invention of the prior application, in which
この超音波センサは、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に支持層２と第１の電極３と窒化アルミニウムからなる圧電体層４と第２の電極５とがこの順に積層された積層体とを有する。つまり、積層体は、窒化アルミニウムからなる圧電体層4と、この圧電体層４を両面から挟むようにして形成された第１の電極３及び第２の電極５と、第１の電極３側に形成された支持層２とから構成されている。また、支持層２と第１の電極３の間に密着性を改善するための薄い層を挿入してもよい。また、第２の電極５上に表面保護層を形成してもよい。
This ultrasonic sensor includes a
また、第１の電極３のヤング率は、第２の電極５のヤング率より高くなっている。これにより、圧電効果による歪みを高効率で振幅変化に変換することが可能となる。ダイアフラム領域６の振幅値或いは変位量が大きくなれば、送出可能な音圧レベルも向上する。電極の厚みは、圧電特性に影響するので最適な厚みから大きく変えることはデメリットを伴う。そのため、膜の剛性率を制御するにはヤング率の異なる最適な材料の組み合わせを選ぶことが重要になる。例えば、第２の電極５の材料のヤング率に対する第１の電極３の材料のヤング率の比が、２．３以上であることが好ましい。
The Young's modulus of the
第１の電極３の材料は、タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンのいずれかを含む材料を用いることができる。また、第１の電極３は、圧電係数が大きく結晶性の良い窒化アルミニウムを成膜するために、適切な結晶面が規則正しく形成されている必要がある。タングステン，白金，ルテニウム，モリブデンは、ヤング率が大きいことに加え、このような性質も兼ね備えた第１の電極３に適した材料である。
As the material of the
また、第２の電極５の材料は、アルミニウム，チタン，ポリシリコン，金のいずれかを含む材料を用いることができる。また、電極を構成するこれらの材料を主成分として含んでいれば、合金等であってもよい。なお、電極を構成する材料のうち、５０％以上を占める材料を、電極を構成する材料の主成分とする。また、支持層２にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のシリコン化合物の膜又はその積層膜を用いることが好ましい。
The material of the second electrode 5 can be a material containing any of aluminum, titanium, polysilicon, and gold. Moreover, an alloy etc. may be sufficient as long as these materials which comprise an electrode are included as a main component. In addition, the material which occupies 50% or more of the material which comprises an electrode is made into the main component of the material which comprises an electrode. The
また、窒化アルミニウムは、アルミニウムをターゲットとし、窒素雰囲気下の反応性スパッタ技術を用いて、４００℃以下の基板温度で、結晶性の良い圧電係数の高い膜を成膜することが可能である。また、第２の電極５上及びエッチング面上に配線絶縁層、配線層などが成膜されパターン形成される。第２の電極５に配線するためには、通常、ダイアフラム領域６の外側で配線絶縁層をエッチング除去してコンタクト部を形成する。第１の電極３に配線するためには、通常、ダイアフラム領域６の外側で配線絶縁層、第２の電極５と圧電体層４の一部をエッチング除去してコンタクト部を形成する。配線を済ませた後に表面保護層を形成すると信頼性、耐久性が向上する。シリコン基板１上に、支持層と電極と圧電体層と配線とを形成した後に、ディープ反応性イオンエッチングなどの深堀りマイクロマシンプロセス技術を用いて、シリコン基板１の背面側からダイアフラム領域６内のシリコン基板１をエッチング除去してダイアフラム領域６を形成する。
In addition, aluminum nitride can be used to form a film with good crystallinity and a high piezoelectric coefficient at a substrate temperature of 400 ° C. or lower by using a reactive sputtering technique in a nitrogen atmosphere with aluminum as a target. Further, a wiring insulating layer, a wiring layer, and the like are formed on the second electrode 5 and the etching surface, and a pattern is formed. For wiring to the second electrode 5, the contact insulating layer is usually formed by etching away the wiring insulating layer outside the
また、パターン形状としては、円形，楕円形，正方形，長方形，リング形状，単純メッシュ形状，バネ構造を基本要素とするメッシュ構造及びその組み合わせを用いることができる。 As the pattern shape, a circular shape, an elliptical shape, a square shape, a rectangular shape, a ring shape, a simple mesh shape, a mesh structure having a spring structure as a basic element, and a combination thereof can be used.
上述したように、図１には、支持層上２で、第１の電極３及び第２の電極５や圧電体層４がパターン形成されたダイアフラム領域６の断面図が示されており、圧電体層４上に第２の電極５をパターン形成したものである。したがって、第２の電極５の面積と支持層２の面積とは異なるものである。
As described above, FIG. 1 shows a sectional view of the
上述した先願発明においては、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーが隣接した配置構成にはなっていない。送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーを隣接した配置構成とすると、音の回り込みや残響振動を抑えること（残響コントロール）が必要になる。本発明は、この点を解決したものである。 In the above-described prior application, the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer are not arranged adjacent to each other. If the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer are arranged adjacent to each other, it is necessary to suppress the sound wraparound and the reverberation vibration (reverberation control). The present invention solves this point.
以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図２（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例１を説明するための断面構成図で、図２（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図２（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。なお、図１と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。 FIGS. 2A and 2B are cross-sectional configuration diagrams for explaining the first embodiment of the proximity ultrasonic sensor according to the present invention, and FIG. 2A shows a state where there is no lid on the ultrasonic sensor. FIG. 2B is a diagram illustrating a state where a lid is provided on the upper part of the ultrasonic sensor. In the drawing, the left side shows the transmitting side and the right side shows the receiving side. Components having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
本発明の近接超音波センサは、シリコン基板１と、このシリコン基板１上に設けられた積層体２乃至５とをそれぞれ有する送受信用の超音波トランスデューサーを備えたもので、積層体は、シリコン基板１上に設けられた支持層２と、この支持層２上に設けられた送信側の第１の電極３ａと受信側の第１の電極３ｂと、この第１の電極３ａ，３ｂ上に設けられた送信側の圧電体層４ａと受信側の圧電体層４ｂと、この圧電体層４ａ，４ｂ上に設けられた送信側の第２の電極５ａと受信側の第２の電極５ｂとから構成されている。なお、６ａ，６ｂは、積層体の送受信側のダイアフラム領域を各々示している。
The proximity ultrasonic sensor of the present invention includes an ultrasonic transducer for transmission / reception each having a
送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとは、空隙部７を介して隣接して一体的に配置されており、この空隙部７は幅狭に形成されている。例えば、図２では、送信側の第１の電極３ａ及び圧電体層４ａと、受信側の第１の電極３ｂ及び圧電体層４ｂとの間に溝が形成される事で空隙部７が形成される。場合によっては、支持体層２も含めて溝を形成してもよい。つまり、この空隙部７は、送信用の超音波トランスデューサーから積層を介して受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを形成するものである。
The ultrasonic transducer for transmission and the ultrasonic transducer for reception are integrally arranged adjacent to each other through the
例えば、支持層２はＳｉＯ2（二酸化ケイ素）からなり、その厚さは１．０μｍであり、第１の電極３ａ，３ｂはＷ（タングステン）からなり、その厚さは０．２μｍであり、圧電体層４ａ，４ｂはＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなり、その厚さは１．２μｍであり、第２の電極５ａ，５ｂはＡｌ（アルミニウム）からなり、その厚さは０．１５μｍである。
For example, the
このような構成により、本発明は、通常の酸化膜（ＳｉＯ2）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜にＡｌＮを適用し、また、電極には、既存の集積回路プロセスに親和する、安価なＡｌ又はＷを適用し、ＭＥＭＳプロセス技術により、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーとは空隙部７を介して隣接して一体的に配置しているので、プロセス上、送信用の超音波トランスデューサーと受信用の超音波トランスデューサーの音響特性は近く、ともに音響収束レンズに当たるものが不要であり、空隙部７の空気にて減衰され、発信音の回り込みや隣のダイアフラムへ伝わっていく残響振動を抑えることが可能になり、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近接することで、発信音波を受信用の超音波トランスデューサーで受け取れる。これにより、蓋の閉じた状態が検出できる。
With such a configuration, the present invention comprises a silicon single crystal substrate in which an oxide film is formed of a normal oxide film (SiO 2 ), applies AlN to the piezoelectric film, and the electrode has an existing integrated structure. Applying cheap Al or W, which is compatible with the circuit process, and using the MEMS process technology, the ultrasonic transducer for transmission and the ultrasonic transducer for reception are arranged adjacent to each other through the
或いは、別に開閉検出機能を装置に持たせておいて、蓋が開いた状態に相当するモードで本センシング技術によって物体近接を識別して、時刻情報、着信情報等の音声応答や表示部のバックライトの点灯を行う機能に役立てたり、或いは、通常の通話で無いスピーカモードにできる。 Alternatively, by providing the device with an open / close detection function separately, this sensing technology identifies the proximity of an object in a mode equivalent to a state in which the lid is opened, and voice responses such as time information and incoming call information are displayed. It can be used for the function of turning on the light, or can be in a speaker mode that is not a normal call.
図３（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例２を説明するための断面構成図で、図３（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図３（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。なお、図２と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional configuration diagrams for explaining a second embodiment of the proximity ultrasonic sensor according to the present invention, and FIG. 3 (a) shows a state where there is no lid on the ultrasonic sensor. FIG. 3B is a diagram illustrating a state where a lid is provided on the upper part of the ultrasonic sensor. In the drawing, the left side shows the transmitting side and the right side shows the receiving side. Note that the same reference numerals are given to components having the same functions as those in FIG.
空隙部９は、送信用の超音波トランスデューサーから受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを設け、その空間領域Ａは、減衰しやすくさせた幅広な空隙部である。
The
図３（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。
As shown in FIG. 3B, in the state where the
図４（ａ），（ｂ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例３を説明するための断面構成図で、図４（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図４（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。なお、図３と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional structural views for explaining a proximity ultrasonic sensor according to a third embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4B is a diagram illustrating a state in which a lid is provided on the upper part of the ultrasonic sensor. Components having the same functions as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
空隙部９で、かつ支持層２上に第１の仕切体１１を設けたもので、この第１の仕切体１１は、送受信用の超音波トランスデューサーと同様に、第１の電極３ｃと、圧電体層４ｃと、第２の電極５ｃとから構成されている。この第１の仕切体１１により、音響インピーダンスの不連続点が増加するため、送信の振動の漏れこみが減少する。つまり、この空隙部９は、送信用の超音波トランスデューサーから積層体を介して受信用の超音波トランスデューサーへ直接的に振動させない、つまり、直接伝播する超音波を規制する空間領域Ａを形成するものである。
The
また、図４（ａ），（ｂ）には図示されていないが、第２の電極５ａ，５ｂ，５ｃ上に音響部材を形成してもよい。後述する実施例４で記載されているように、発信音をあまり反射させない（吸収させる）ために空気の音響インピーダンス値に近い部材か、または、発信音をしっかり反射させるために空気の音響インピーダンスよりも高い値を持つ部材が形成される。この第１の仕切体１１は、送信部及び受信部の形成と同時プロセスで形成できるため、加工精度よく簡便に本実施例の近接超音センサを製造できる。
Although not shown in FIGS. 4A and 4B, an acoustic member may be formed on the
さらに、第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。
Further, a voltage may be applied to the
図４（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、物体ないし、板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。
As shown in FIG. 4B, in the state where the
図５（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の近接超音波センサ実施例４を説明するための断面構成図で、図５（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図５（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）を横から見た板状或いは鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。図中記号Ｂは音波の伝播状況を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。 FIGS. 5A to 5C are cross-sectional structural views for explaining the proximity ultrasonic sensor embodiment 4 of the present invention, and FIG. 5A shows a state where there is no lid on the ultrasonic sensor. FIG. 5B is a diagram showing a state where a lid is provided on the upper part of the ultrasonic sensor. In the drawing, the left side shows the transmitting side and the right side shows the receiving side. FIG. 5C is a diagram showing the relationship between the plate-like or mirror-like lid and the partition when FIG. 5B is viewed from the side. Symbol B in the figure indicates the propagation state of the sound wave. Components having the same functions as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals.
空隙部９でかつ支持層２上に第２の仕切体１３を設けたものであり、この第２の仕切体１３は、送受信用の超音波トランスデューサーと同様に、第１の電極３ｃと、圧電体層４ｃと、第２の電極５ｃと、この第２の電極５ｃ上に設けられた音響部材１２とから構成されている。
The
ここで、本実施例４における音響部材１２は、送信用の超音波トランスデューサーから発信される音波を吸収または反射するものである。例えば、音波をあまり反射させない（吸収させる）音響部材としては、ポリエチレン（Ｖｌ＝１９５０［ｍ／ｓ］）やポリスチレン（Ｖｌ＝２３５０［ｍ／ｓ］）等の縦波の音速Ｖｌが比較的低い材料があげられる。また、音波を反射する音響部材としては、アルミ（Ｖｌ＝６４２０［ｍ／ｓ］）やタングステン（Ｖｌ＝５４１０［ｍ／ｓ］）、金（Ｖｌ＝３２４０［ｍ／ｓ］）等の縦波の音速Ｖｌが比較的高い金属があげられる。
Here, the
例えば、第２の仕切体１３が、音波をしっかり反射する音響部材１３を有している場合は、横から回り込んできた音波を反射させる。送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、近接する板状あるいは鏡面状の蓋８からの反射音として受信用の超音波トランスデューサーで受信できるようになり、蓋８が閉じた状態が検出できる。
For example, when the
ここで、仕切体を構成する第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。
Here, a voltage may be applied to the
図５（ｃ）に示すように、蓋８が、音響部材１２に近接することにより、蓋８と音響部材１２との隙間を介して受信用の超音波トランスデューサーに音波が届くことになる。
As shown in FIG. 5C, when the
このように、第２の仕切体１３は、直接的に受信側に振動させない空隙部９に設けられ、かつその空隙部９に設けられた第２の仕切体１３上には、反射しやすい音響部材１２が設けられているので、図５（ｂ）に示したように、超音波センサの上部に蓋８の有る状態では、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が板状或いは鏡面状の蓋８が近づくことで受信用の超音波トランスデューサーに届くことになり、これにより、蓋８の閉じた状態が検出できる。
In this way, the
また、第２の仕切体１３が、音波を反射しにくい（吸収する）音響部材１２を有している場合は、音波が減衰するため、音の回り込みや残響振動を抑えることができる。さらに、送信側の第２の電極５ａ上に音波を吸収する音響部材（図示せず）を設けることで、空気の音響インピーダンスに近づけ、送信音圧がとりやすくなり、また、ダンピング効果により高周波側の振動を抑えることもできる。また、受信側の第２の電極５ｂ上に音波を吸収する音響部材（図示せず）を設けることで、空気の音響インピーダンスに近づけ、受信音圧がとりやすくなり、また、ダンピング効果により残響振動を抑えることができる。
In addition, when the
図６（ａ）乃至（ｃ）は、本発明に係る近接超音波センサの実施例５を説明するための断面構成図で、図６（ａ）は、超音波センサの上部に蓋の無い状態を示す図で、図６（ｂ）は、超音波センサの上部に蓋の有る状態を示す図である。図面に向かって左側が送信側で右側が受信側を示している。また、図６（ｃ）は図６（ｂ）を横から見た板状或いは鏡面状の蓋と仕切体との関係を示す図である。なお、図５と同じ機能を有する構成要素には同一に符号を付してある。 FIGS. 6A to 6C are cross-sectional configuration diagrams for explaining the fifth embodiment of the proximity ultrasonic sensor according to the present invention, and FIG. 6A shows a state where there is no lid on the upper part of the ultrasonic sensor. FIG. 6B is a diagram illustrating a state in which the lid is provided on the upper part of the ultrasonic sensor. In the drawing, the left side shows the transmitting side and the right side shows the receiving side. Moreover, FIG.6 (c) is a figure which shows the relationship between the plate-shaped or mirror-like lid | cover and partition body which looked at FIG.6 (b) from the side. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which has the same function as FIG.
この実施例５は、上述した実施例４における第２の仕切体１３を構成する音響部材１２の表面に溝１２ａを設けたものである。
In the fifth embodiment, a
図６（ｂ）に示したように、この溝付の第２の仕切体１３は、音響部材１２を有しているので横から回り込んできた音波を反射させるが、送信用の超音波トランスデューサーからの音波が、近接する板状或いは鏡面状の蓋８からの反射音として受信用の超音波トランスデューサーで受信できるようになり、蓋８が閉じた状態が検出できる。さらに、第１の電極３ｃと、第２の電極５ｃに、発信用超音波トランスデューサーと逆相または同相あるいは所定の位相角で駆動させるように電圧印加しても良い。これにより送信用超音波トランスデューサーから回り込んでくる音波をキャンセルすることができるため、より好ましい。
As shown in FIG. 6B, the grooved
図６（ｃ）に示すように、音響部材１２の表面に溝１２ａが設けられているので、蓋８が、音響部材１２の表面に密接していても、この溝１２ａを介して受信用の超音波トランスデューサーに音波が届くことになる。条件によっては、必ずしも、音響部材１２の両端の盛り上がった部分は、蓋８にぴったり密着していなくても良い。
As shown in FIG. 6 (c), since the
このように、溝付の第２の仕切体１３には、直接的に受信側に振動させない空隙部９を設け、かつその空隙部９に設けられた第２の仕切体１３上には反射しやすい音響部材１２が設けられているので、この音響部材１２は、空気の音響インピーダンスより高い値になり、また音波を反射しにくい（吸収しやすい）音響部材１２を設けた場合は、音波が減衰するため、音の回り込みや残響振動を抑えることができる。
In this way, the grooved
また、場合によっては、蓋８側に音響部材（図示せず）を密着・取り付けて、蓋８が閉じられたときに、この音響部材と第２の電極５ｃが接する形態もある。
In some cases, an acoustic member (not shown) is attached and attached to the
図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の超音波センサによる、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとの距離の変化とその受信状況を示した図で、図７（ａ）が最も近い距離で、〜１ｃｍ前後の距離、図７（ｂ）が中間距離で、〜３ｃｍ前後の距離、図７（ｃ）が最も遠い距離で、〜６ｃｍ前後の距離の場合を示している。この図からも明らかなように、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとが近接状態において受信出力が大きく、早くに、捉えられていることが分かる。これから、通常の酸化膜（ＳｉＯ2）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜に電気機械結合定数の高くないＡｌＮ（窒化アルミニウム）を適用し、また、電極には、既存の集積回路プロセスに親和する、安価なＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）を適用することにより、送信用の超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとが近接した状態が検出できるのが確認された。 FIGS. 7A to 7C are diagrams showing a change in the distance between the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer and the reception status thereof by the ultrasonic sensor of the present invention. a) is the closest distance, about 1 cm distance, FIG. 7B is the intermediate distance, about 3 cm distance, FIG. 7C is the farthest distance, about 6 cm distance. ing. As is clear from this figure, it can be seen that the reception output is large and captured early when the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer are in the proximity state. From this, it is composed of a silicon single crystal substrate in which an oxide film is formed of a normal oxide film (SiO 2 ), AlN (aluminum nitride) having a low electromechanical coupling constant is applied to the piezoelectric film, By applying inexpensive Al (aluminum) or W (tungsten), which is compatible with existing integrated circuit processes, it is possible to detect the proximity of the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer. confirmed.
本発明は、例えば、通常の酸化膜（ＳｉＯ2）にて酸化膜が形成されたシリコン単結晶基板からなり、圧電膜にＡｌＮ（窒化アルミニウム）を適用し、また、電極には、通常のSi基板プロセスに親和する、安価なＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）を適用することにより、送信用超音波トランスデューサーと受信用超音波トランスデューサーとを空隙部を介して隣接して一体的に配置した近接超音波センサを提供するものである。必要に応じて、送受信の感度・タイミング等が目標範囲に収まるように、実施の形態・条件に合わせて、仕切りを調整して搭載すれば良い。 The present invention comprises, for example, a silicon single crystal substrate in which an oxide film is formed of a normal oxide film (SiO 2 ), AlN (aluminum nitride) is applied to the piezoelectric film, and a normal Si film is used as the electrode. By applying inexpensive Al (aluminum) or W (tungsten) that is compatible with the substrate process, the ultrasonic transducer for transmission and the ultrasonic transducer for reception are arranged adjacent to each other through the gap. A proximity ultrasonic sensor is provided. If necessary, the partition may be adjusted and mounted in accordance with the embodiment and conditions so that the sensitivity and timing of transmission and reception are within the target range.
また、本発明は、既存の集積回路プロセスをそのまま適用可能とし、駆動に必要な電力がそれほど要らないことから、サイズ小型化や生産コスト低価格化が可能である。また、携帯電話の筐体の色や透明度などに依らず、折り畳み式開閉蓋やスライド式開閉蓋の開閉検出や、機器がオープン状態に相当する形態での、近接した人の顔や手などの検知に適用可能である。特に、赤外線センサの場合は、黒色は吸収され、光センサの場合は、透明なものは透過してしまうので、発信波が反射した後の信号受信が上手くできなかったというこれまでの問題点が解決される。また、プラスチック性の筐体や（折り畳み式やスライド式）蓋の表面を無電解鍍金にて一括鍍金処理するだけで、超音波反射領域が確保される。 Further, the present invention can be applied to an existing integrated circuit process as it is, and does not require much electric power for driving, so that the size and size can be reduced and the production cost can be reduced. In addition, regardless of the color or transparency of the mobile phone case, it is possible to detect the opening / closing of a foldable open / close lid or a sliding open / close lid, and the face or hand of a nearby person in a form that corresponds to the open state of the device. Applicable to detection. In particular, in the case of an infrared sensor, black is absorbed, and in the case of an optical sensor, a transparent object is transmitted. Therefore, there has been a conventional problem that signal reception after a transmitted wave has not been reflected successfully. Solved. Moreover, an ultrasonic reflection area is ensured only by batch-plating the surface of the plastic casing or the lid (folding type or sliding type) with an electroless plating.
１ シリコン基板
２ 支持層
３，３ａ，３ｂ、３ｃ 第１の電極
４，４ａ，４ｂ、４ｃ 圧電体層
５，５ａ，５ｂ、５ｃ 第２の電極
６，６ａ，６ｂ ダイアフラム領域
７ 幅狭な空隙部
８ 蓋
９ 幅広な空隙部
１１ 第１の仕切体
１２ 音響部材
１２ａ 溝
１３ 第２の仕切体
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記積層体が、前記シリコン基板上に設けられた支持層と、該支持層上に設けられた第１の電極と、該第１の電極上に設けられた圧電体層と、該圧電体層上に設けられた第２の電極とから構成され、
前記送信用の超音波トランスデューサーと前記受信用の超音波トランスデューサーとが、空隙部を介して隣接して一体的に配置されていることを特徴とする近接超音波センサ。 A proximity ultrasonic sensor comprising a silicon substrate and a transmitting ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer each having a silicon substrate and a laminate provided on the silicon substrate,
The laminated body includes a support layer provided on the silicon substrate, a first electrode provided on the support layer, a piezoelectric layer provided on the first electrode, and the piezoelectric layer. A second electrode provided on the top,
The proximity ultrasonic sensor, wherein the transmitting ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer are integrally disposed adjacent to each other via a gap.
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