JP6025850B2 - 微細加工された垂直構造上に形成された周期的強誘電分極を有する電気−音響トランスデューサ - Google Patents
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Description
互いに面して配置された第1及び第2の平面を有し、長さL、幅l及び第2の厚さe2を有し、第2の圧電材料からなる圧電変換プレートと、
前記圧電変換プレートの前記第1の平面及び前記第2の平面をそれぞれ少なくとも部分的に覆い少なくとも部分的に互いに面する第1及び第2の金属電極と、を含み、所定の周波数fで動作するバルク波を有する圧電トランスデューサであって、
前記圧電変換プレートは、正の分極の第1の区画及び負の分極の第2の区画を含む強誘電材料層の層で形成され、前記第1の区画及び前記第2の区画は、繰り返しパターンに従ってプレートの長さLの方向に交互に配置され、前記繰り返しパターンは間隔p及び周期比によって画定され、
前記圧電変換プレートは、前記基板のブロックの前記平面に近接して垂直に取り付けられて前記圧電変換プレートの幅及び前記基板のブロックの第1の厚さが同一の方向を有し、
前記第1の材料、前記第2の材料、前記基板のブロックの第1の厚さ、前記長さL、前記幅l、前記変換プレートの第2の厚さe2及び前記間隔pは、前記トランスデューサの動作周波数でバルク波を発生させトラップするように構成され、前記バルク波はその2つの前記平面の間をガイドされ、前記ガイドされたバルク波は前記変換プレートの長さLの方向に伝搬する。
前記圧電変換プレートの強誘電区画の結晶カット及び分極は、横断方向または長手方向の分極を有するバルク波が0.01%よりも大きな電気音響結合係数を有して生成され、前記プレートの長さ方向に伝搬する一方で前記両電極の間でガイドされるように構成される。
ダイヤモンドカーボン、シリコン、サファイア、炭化シリコン、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、圧電セラミック、水晶、四ホウ酸リチウム、オルトリン酸ガリウム、ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、シリカによって形成された材料のセットで構成され、
前記第2の材料は、酸化鉛、チタン、PZTジルコニウム、タンタル酸リチウムLiTaO3、ニオブ酸リチウムLiNbO3、ニオブ酸カリウムPbTiO3、及び高い結晶品質を有する強誘電材料によって形成された材料のセットで構成される。
前記金属電極の厚さは、前記共振プレートと前記基板のブロックとの境界に局在された質量分布を得るように分布し、前記共振プレートの局所領域内でバルク波をトラップし、集中させる。
−前記未加工層の結晶方向及び前記強誘電分極の方向が、前記厚さeb及び前記未加工層の長さの方向における前記未加工層の結晶カット面が存在するように予め選択されたものであり、それに関してウェハが、前記カット面に従って切断され、厚さe2の方向に垂直である平面金属電極間に位置する場合に、交互配置した分極を有する強誘電圧電トランスデューサを形成し、ガイドされたバルク波が前記ウェハの長さの方向に、0.01%以上の電気音響結合係数で伝搬する、初期圧電変換プレート未加工層を提供する段階と、
−前記未加工層の厚さの方向に、初期共振プレート未加工層に部分的にまたは完全に切断を行う段階であって、圧電変換プレートが共振プレート厚さe2を有し、第1及び第2の平面が互いに対向して配置され、前記平面が長さL、幅lを有し、前記切断が前記カット面方向に沿って機械加工プロセスで実施され、前記プレートの幅l及び前記未加工層の厚さが同一の方向であり、前記未加工層の材料および結晶方向、前記カット面の方向、前記長さL、前記幅l、前記共振プレートの第2の厚さが、前記両平面間で前記トランスデューサの動作周波数でバルク波を発生させトラップするように構成され、前記変換プレートの長さLの方向にガイドされた音響バルク波が伝搬するためのガイドを形成する、切断を行う段階と、
前記圧電変換プレートの前記第1の面及び前記第2の面をそれぞれ少なくとも部分的に覆い、少なくとも部分的に互いに面する第1及び第2の金属電極を成膜する段階と、を含む、
所定の周波数で動作する交互配置した強誘電区画を有する圧電トランスデューサを製造する方法である。
前記共振プレート及び、前記バーの切断後の前記未加工層の残りの部分であり、前記プレートを保持し、参照平面を有する基板のブロックを得、前記プレートは前記基板のブロックの平面に垂直に一体に取り付けられ、前記プレートの幅lはそのため前記基板のブロックに対する前記プレートの高さである。
前記保持基板層と前記変換プレート未加工層との間に、取り付け要素及び/または動作周波数における音響絶縁要素を形成することを意図された少なくとも1つの層を配置する段階であって、前記取り付け要素及び/または音響絶縁要素が前記基板未加工層及び前記共振プレート未加工層から区別され、前記基板未加工層材料及び前記共振プレート未加工層から区別される少なくとも第3の材料からなり、前記取り付け要素及び/または前記音響絶縁要素を形成する前記少なくとも1つの層が、単一の接着層、対照的な音響インピーダンスを有する層の積層体で形成されたブラッグミラーによって形成されたセットで構成される、層を配置する段階と、
少なくとも前記プレート未加工層を所定の厚さだけ切断して前記圧電変換プレートを形成する段階と、を含み、
前記共振プレートを切断する段階が、切断機によって実施される。
− 面Z+上のLi2Oの外部拡散、
− 面Z+上のチタンの拡散、
− 電子衝撃、
− 電場の印加。
− 最適な研磨品質のために望ましい新しいブレードを使用すること。
− 切断線を形成する際のブレードの研磨砥粒の先鋭化とともに、装置の支持部上に物理的に配置された後のブレードの中心出しを含むブレードのゆがみ矯正をすること。
− デバイスの長さ全体に渡ってプレートの入力面及び出力面を切断すること。
− プレートまたはバーを形成すること。
− 以下の切断パラメータを考慮することによってその後プレートになる部分の入力面及び出力面の完全な切断を行う。0.18mm・s−1に等しい前進率、1分あたり9000回転に等しい研磨円盤の回転速度、全幅に渡る切断。
− 0.18mm・s−1に等しい前進率、1分あたり9000回転に等しい研磨円盤の回転速度、狙いが未加工基板薄板(ウェハ)の厚さとされた幅での切断でのプレートの形成。
−強結合フィルタ
−高周波数共振器
−温度、加速度センサ
−ジャイロメータ
−トルク、加速度、応力センサ
−強閉じ込め、強変調を有する音響光学変調器
−IFM帯域にクエリされ得るセンサ及び特に無線センサのための共振器
−(化学量論的ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウム、高いキュリー温度を有する単結晶セラミックのような材料上の)高温センサのための共振器
−加速度、ジャイロスコープ、重力センサのための共振器
−音響光学結合による光学信号を変調するための素子
4 基板のブロック
6 圧電強誘電変換プレート
8 第1の面
10 第2の面
12 第1の金属電極
14 第2の金属電極
16 平面
17、18 強誘電区画
32 圧電トランスデューサ
36 変換プレート
38 狭窄領域
42 第1の電極
44 第2の電極
52 圧電トランスデューサ
54 第1の電極
56 第2の電極
58、60 突出部
62 圧電トランスデューサ
64 基板のブロック
66 圧電変換プレート
68 接続要素
72 トランスデューサ
74 基板
76 変換プレート
78 音響絶縁要素
102 トランスデューサを製造する方法
104、106、108、110、112、114、116 段階
202、212 中間状態
204 樹脂S1828の層
206 未処理のニオブ酸リチウムウェハ
214 基板のブロック
216 プレート
218、220 谷
222、224 端部バー
226 樹脂層
228 プレートの上面
230、232 バーの上面
234、236 凹部
242 チップ
244、246 電極
252 チップ
254、256、258 トランスデューサ
264、266、268 変換プレート
270 電極
272 共通基板の底面
302 製造する方法
304、306、308、310、312、314、316、318、320 段階
322、332、362 中間状態
324 第1のニオブ酸リチウムウェハ
326 ブラッグミラーを形成する層
328 第2のニオブ酸リチウムウェハ
330 樹脂層
336 変換プレート
338、340 谷
342、344 端部バー
346 樹脂層
348 プレートの上面
350、352 バーの上面
354、356 凹部
364、366 電極
402 製造する方法
404、406、408 段階
Claims (15)
- 保持手段として、平面の表面に対して垂直な方向に沿った第1の厚さe1を有し第1の材料からなる平面(16)を有する基板のブロック(4;64;74)と、
互いに面して配置された第1及び第2の平面(8、10)を有し、長さL、幅l及び第2の厚さe2を有し、第2の圧電材料からなる圧電変換プレート(6;36;66;76)と、
前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の前記第1の平面(8)及び前記第2の平面(10)をそれぞれ少なくとも部分的に覆い少なくとも部分的に互いに面する第1及び第2の金属電極(12、14;42、44;54、56)と、を含み、
所定の周波数fで動作するバルク波圧電トランスデューサであって、
前記圧電変換プレート(6;36;66;76)が、正の分極を有する第1の区画及び負の分極を有する第2の区画を含む強誘電材料層で形成され、前記第1の区画及び前記第2の区画が、繰り返しパターンに従って前記圧電変換プレートの長さの方向に交互に配置され、前記繰り返しパターンが間隔p及び周期比によって画定され、
前記圧電変換プレート(6;36;66;76)が、前記基板のブロック(4;64;74)の前記平面(16)に近接して垂直に取り付けられて前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の幅及び前記基板のブロック(4;64;74)の第1の厚さが同一の方向を有し、
前記第1の材料、前記第2の材料、前記基板のブロック(4;64;74)の第1の厚さ、前記長さL、前記幅l、前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の第2の厚さe2及び前記間隔pが、前記トランスデューサの動作周波数でバルク波を発生させトラップするように構成され、前記バルク波が前記圧電変換プレートの前記平面の両方の間をガイドされ、前記ガイドされた音響波が前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の長さLの方向に伝搬する、バルク波圧電トランスデューサ。 - 前記第2の圧電材料が1949年に改訂されたIEEE Std−176標準に従うZXで表される結晶カットを有し、結晶軸X及び結晶軸Zがそれぞれ前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の長さL及び幅lに沿った方向であり、前記強誘電区画の分極軸が、前記Z軸及び前記X軸に沿った方向である繰り返し軸と同一直線上である、請求項1に記載のバルク波圧電トランスデューサ。
- 前記第2の圧電材料が、3つの結晶軸X、Y、Z、1949年に改訂されたIEEE Std−176標準に従うZXで表される結晶カットを有し、前記結晶軸Y及び前記結晶軸Zが、それぞれ前記圧電変換プレートの長さL及び幅lに沿った方向であり、前記強誘電区画の分極軸が前記Z軸と同一直線上であり、前記繰り返し軸が前記Y軸に沿った方向である、請求項1に記載のバルク波圧電トランスデューサ。
- 前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の幅lの前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の第2の厚さe2に対する比で画定される横方向形状因子Flが、5以上であり、好適には10以上である、請求項1から3のいずれか一項に記載のバルク波圧電トランスデューサ。
- 前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の長さの前記圧電変換プレート(6;36;66;76)の厚さに対する比で画定される長手方向形状因子が、波長の倍数であり、10以上であり、好適には100以上であり、前記波長が前記周波数fで割った波の位相速度に等しい、請求項1から4のいずれか一項に記載のバルク波圧電トランスデューサ。
- 前記圧電変換プレート(6)及び前記基板のブロック(4)が、同一の圧電材料からなり一体の1つの部材を形成し、前記基板のブロック(4)が、正の分極の第1の区画及び負の分極の第2の区画を含み、前記基板のブロックの前記第1の区画及び前記第2の区画が、長さLの方向の前記圧電変換プレートと同一の強誘電分極の分布を有する前記圧電変換プレートの長さの方向に分布する、請求項1から5のいずれか一項に記載のバルク波圧電トランスデューサ。
- 前記動作周波数fで取り付け要素及び/または音響絶縁要素(68;78)を含み、前記取り付け要素及び/または音響絶縁要素が、前記基板のブロック(64;74)及び前記圧電変換プレート(66;76)から区別され、前記第1及び第2の材料と区別される少なくとも1つの第3の材料からなり、前記取り付け要素及び/または前記音響絶縁要素(68;78)が、単一の接着層、対照的な音響インピーダンスを有する層の積層で形成されたブラッグミラーによって形成されたセットに含まれる、請求項1から6のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
- 前記圧電変換プレート(6;76)及び前記基板のブロック(4;74)が、同一の圧電材料からなり、同一の方向及び分極配向を有する同一の繰り返しパターンに従って分極した強誘電区画を含み、
前記圧電変換プレート(6;76)の強誘電区画の結晶カット及び分極が、横断方向または長手方向の分極を有するバルク波が0.01%よりも大きな電気音響結合係数を有して生成され、前記圧電変換プレートの長さ方向に伝搬する一方で前記2つの電極(12、14)の間でガイドされるように構成された、請求項1から7のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 - 前記圧電変換プレート(36)が、前記厚さ方向に、その長さ全体に渡って狭窄部(38)を有し、前記狭窄部に関して前記圧電変換プレート(36)の厚さが最小値となり、前記圧電変換プレート(36)が、前記基板のブロック(4)に取り付けられ、前記狭窄部(38)が、前記基板のブロック(4)の平面に近接して配置される、請求項1から8のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。
- 前記第1の材料が、ダイヤモンドカーボン、シリコン、サファイア、炭化シリコン、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸カリウム、圧電セラミック、水晶、四ホウ酸リチウム、オルトリン酸ガリウム、ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、シリカによって形成された材料のセットに含まれ、
前記第2の材料が、酸化鉛、チタン、PZTジルコニウム、タンタル酸リチウムLiTaO3、ニオブ酸リチウムLiNbO3、ニオブ酸カリウムPbTiO3、及び高い結晶品質を有する強誘電材料によって形成された材料のセットに含まれる、請求項1から9のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 - 前記金属電極(12、14;42、44;54、56)がアルミニウム、白金、イリジウム、ジルコニウム、ルビジウム、銅、チタン、モリブデン、ニッケル、タングステン、金、ポリシリコン、これらそれぞれの金属の合金によって形成された材料のセットに含まれる材料からなり、
前記金属電極の厚さが、前記圧電変換プレートと前記基板のブロックとの境界に局在された質量分布を得るように分布し、前記圧電変換プレートの局所領域内でバルク波をトラップし、集中させる、請求項1から10のいずれか一項に記載の圧電トランスデューサ。 - 初期圧電変換プレート未加工層を提供する段階(404)であって、前記初期圧電変換プレート未加工層が圧電強誘電材料からなり、未加工層の厚さebを有し、厚さの方向に垂直な面内の空間的大きさが前記未加工層の厚さebよりも大きく、前記初期未加工層が、正の分極の第1の区画及び負の分極の第2の区画を含み、前記第1の区画及び前記第2の区画が、繰り返しパターンに従って交互に前記未加工層の長さの方向に分布し、前記繰り返しパターンが間隔p及び周期比によって画定され、
前記未加工層の結晶方向及び前記強誘電分極の方向が、前記厚さeb及び前記未加工層の長さの方向における前記未加工層の結晶カット面が存在するように予め選択されたものであり、それに関してウェハが、前記カット面に従って切断され、厚さe2の方向に垂直である平面金属電極間に位置する場合に、交互配置した分極を有する強誘電圧電トランスデューサを形成し、ガイドされたバルク波が前記ウェハの長さの方向に、0.01%以上の電気音響結合係数で伝搬する、初期圧電変換プレート未加工層を提供する段階(404)と、
前記未加工層の厚さの方向に、初期圧電変換プレート未加工層に部分的にまたは完全に切断を行う段階であって、圧電変換プレートが圧電変換プレート厚さe2を有し、第1及び第2の平面が互いに対向して配置され、前記平面が長さL、幅lを有し、前記切断が前記カット面方向に沿って機械加工プロセスで実施され、前記圧電変換プレートの幅l及び前記未加工層の厚さが同一の方向であり、前記未加工層の材料および結晶方向、前記カット面の方向、前記長さL、前記幅l、前記圧電変換プレートの第2の厚さが、前記2つの平面間で前記トランスデューサの動作周波数でバルク波を発生させトラップするように構成され、前記圧電変換プレートの長さLの方向に音響バルク波が伝搬するためのガイドを形成する、切断を行う段階と、
前記圧電変換プレートの前記第1の面及び前記第2の面をそれぞれ少なくとも部分的に覆い、少なくとも部分的に互いに面する第1及び第2の金属電極を成膜する段階と、を含む、
所定の周波数で動作するバルク波圧電トランスデューサを製造する方法。 - 前記初期未加工層に、前記初期未加工層、前記圧電変換プレートの厚さの方向に部分的に切断を行う段階であって、前記未加工層の厚さの方向に部分的に切断を行う前記段階が、前記第1の面を通して前記圧電変換プレートに隣接する第1のバーおよび前記第2の面を通して前記圧電変換プレートに隣接する第2のバーを除去することによって実施される、切断を行う段階を含み、
前記圧電変換プレート及び、前記バーの切断後の前記未加工層の残りの部分であり、前記圧電変換プレートを保持し、参照平面を有する基板のブロックを得、前記圧電変換プレートが前記基板のブロックの平面に垂直に一体に取り付けられ、前記圧電変換プレートの幅lが前記基板のブロックに対する前記圧電変換プレートの高さである、請求項12に記載のバルク波圧電共振器を製造する方法。 - 保持基板未加工層厚さを有し基板材料からなる保持基板の未加工層を提供する段階と、
前記保持基板層と前記圧電変換プレート未加工層との間に、取り付け要素及び/または動作周波数における音響絶縁要素を形成することを意図された少なくとも1つの層を配置する段階であって、前記取り付け要素及び/または音響絶縁要素が前記基板未加工層及び前記圧電変換プレート未加工層から区別され、前記基板未加工層材料及び前記圧電変換プレート未加工層材料から区別される少なくとも第3の材料からなり、前記取り付け要素及び/または前記音響絶縁要素を形成する前記少なくとも1つの層が、単一の接着層、対照的な音響インピーダンスを有する層の積層体で形成されたブラッグミラーによって形成されたセットに含まれる、層を配置する段階と、
少なくとも前記圧電変換プレート未加工層を所定の深さだけ切断して前記圧電変換プレートを形成する段階と、を含む、請求項12に記載のバルク波圧電共振器を製造する方法。 - 前記圧電変換プレートを切断する段階が、切断機によって実施される、請求項12又は13に記載のバルク波圧電共振器を製造する方法。
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