JP2011082624A - 近接超音波センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】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空隙部を介して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すること。
【解決手段】近接超音波センサは、シリコン基板1と、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、積層体は、シリコン基板1上に設けられた支持層2と、支持層2上に設けられた第1の電極3a,3bと、第1の電極3a,3b上に設けられた圧電体層4a,4bと、圧電体層4a,4b上に設けられた第2の電極5a,5bとから構成されている。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は、空隙部7を介して隣接して一体的に配置され、空隙部7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空間領域である。
【選択図】図2
【解決手段】近接超音波センサは、シリコン基板1と、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、積層体は、シリコン基板1上に設けられた支持層2と、支持層2上に設けられた第1の電極3a,3bと、第1の電極3a,3b上に設けられた圧電体層4a,4bと、圧電体層4a,4b上に設けられた第2の電極5a,5bとから構成されている。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は、空隙部7を介して隣接して一体的に配置され、空隙部7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空間領域である。
【選択図】図2
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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)
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。
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)
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。
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)
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
Claims (9)
- 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近接超音波センサ。 - 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請求項1に記載の近接超音波センサ。
- 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請求項2に記載の近接超音波センサ。
- 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請求項1に記載の近接超音波センサ。
- 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請求項4に記載の近接超音波センサ。
- 前記第2の仕切体に溝が設けられたことを特徴とする請求項4又は5に記載の近接超音波センサ。
- 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請求項4,5又は6に記載の近接超音波センサ。
- 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請求項1乃至7のいずれかに記載の近接超音波センサ。
- 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請求項1乃至8のいずれかに記載の近接超音波センサ。
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