JP6309034B2 - 電気機械変換装置及びその作製方法 - Google Patents
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Description
図1(a)は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−B断面図である。本発明の電気機械変換装置は、セル構造1を有する素子2を複数有している。素子2は、電気的に接続された複数のセル構造1からなる。図1では、素子2は、9個のセル構造から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、素子数も、4つの素子のみ記載しているが、個数はいくつでも構わない。セル構造の形状は、図1では円形であるが、四角形、六角形等の形状でも構わない。
さらに、セル構造1は、メンブレン15と第二の電極4とで構成される振動膜を有する。
メンブレン15は、メンブレン支持部16により支持されおり、振動膜は、第二の絶縁膜14と間隙であるキャビティ3を隔てて配置されている。第一の電極13と第二の電極4とは対向しており、第一の電極13と第二の電極4との間には、電圧印加手段17から電圧が印加される。また、素子2は、引き出し配線6を用いることで、第二の電極4から素子毎に電気信号を引き出すことができる。本実施の形態では、引き出し配線6により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第一の電極13を共通電極とし、第二の電極4を素子毎に配置することで第二の電極4から素子毎の電気信号を引き出しているが、逆の構成にしても構わない。つまり、第二の電極4を共通電極とし、第一の電極13を素子毎に配置することで、素子毎の電気信号を引き出してもよい。
本発明の駆動原理を説明する。電気機械変換装置で超音波を受信する場合、電圧印加手段17で、第一の電極13と第二の電極4との間に電位差が生じるように、第一の電極13に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極4を有する振動膜が撓むため、第二の電極4と第一の電極13との間隔(キャビティ3の深さ方向の距離)が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線6に電流が流れる。
この電流を、不図示の電流−電圧変換素子によって電圧に変換し、超音波の受信信号とする。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極4に直流電圧を印加し、第一の電極13から素子毎に電気信号を引き出してもよい。
次に、本発明の電気機械変換装置の特徴部分を説明する。本発明の電気機械変換装置は、メンブレン15としてシリコン窒化膜を用いる。シリコン窒化膜は、応力コントロールが容易であり、低い引張り応力、例えば、0MPaより大きく300MPa以下の引張り応力で形成することができる。よって、シリコン窒化膜の残留応力による振動膜の大きな変形を低減することができる。また、シリコン窒化膜により、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつきおよび機械特性ばらつきを低減できる。特に、メンブレンとして用いるシリコン窒化膜を低応力にする場合、化学的に理想的な膜組成(ストイキオメトリー)である、シリコンと窒素との比が3:4よりも、シリコンの比が高いことが好ましい。
本発明の基板11は、表面粗さの小さい基板が好ましく、シリコン基板やガラス基板等を用いることができる。基板11としてシリコン基板等の導電性を有する基板を用いた場合は、基板11が第一の電極13を兼ねても良い。基板11がガラス基板等の絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜12はなくてもよい。
よって、本発明においては、200V以下の電圧を印加する場合、シリコン酸化膜厚さを50nmから200nmの厚さとし、第一のメンブレンとして用いるシリコン窒化膜の厚さを300nmから800nm以下の厚みにするとよい。
次に、図3、図4を用いて、本発明の作製方法を説明する。図3は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図4は、図3のA−B断面図である。
2 素子
3 キャビティ
4 第二の電極
5 エッチングホール
11 基板
12 第一の絶縁膜
13 第一の電極
14 第二の絶縁膜
15 メンブレン
16 メンブレン支持部
17 電圧印加手段
Claims (9)
- 基板と、
前記基板上に設けられた第一の電極と、
前記第一の電極上に形成された第一の絶縁膜と、
前記第一の絶縁膜と間隙を隔てて、該第一の絶縁膜と対向するように設けられている振動膜とを備える電気機械変換装置であって、
前記振動膜は、第二の絶縁膜と、第二の電極とを、前記間隙側に前記第二の絶縁膜が位置するように備え、
前記第一の電極と前記第一の絶縁膜との界面での電位障壁の方が、前記第二の電極と前記第二の絶縁膜との界面での電位障壁よりも高く、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有し、且つ前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より、前記第一の電極の電位が低くなるように構成され、前記第二の絶縁膜に印加される電界強度が、前記第二の絶縁膜中を流れる電子の伝導特性がオーミック伝導となる大きさであることを特徴とする電気機械変換装置。 - 複数の素子を含み構成される静電容量型の電気機械変換装置であって、
前記複数の素子は、それぞれ複数のセルを備えており、
前記セルは、
基板と、
前記基板上に設けられた第一の電極と、
前記第一の電極上に形成された第一の絶縁膜と、
前記第一の絶縁膜と間隙を隔てて、該第一の絶縁膜と対向するように設けられている振動膜と、
電圧印加手段と、を備え、
前記振動膜は、第二の絶縁膜と、第二の電極とを、前記間隙側に前記第二の絶縁膜が位置するように備え、
前記第一の電極と前記第一の絶縁膜との界面での電位障壁の方が、前記第二の電極と前記第二の絶縁膜との界面での電位障壁よりも高く、
前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より、前記第一の電極の電位が低くなるように構成され、前記第二の絶縁膜に印加される電界強度が、前記第二の絶縁膜中を流れる電子の伝導特性がオーミック伝導となる大きさであることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。 - 前記第二の絶縁膜は、0MPaより大きく300MPa以下の引張り応力となるよう形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電気機械変換装置。
- 前記振動膜は、前記第二の電極の前記間隙とは反対側に第三の絶縁膜を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の電極と前記第二の電極との間の距離の変化によって生じる電流を、電圧に変換する電流−電圧変換素子を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の絶縁膜の含有する未結合手の割合が前記第二の絶縁膜の含有する未結合手の割合より少ないことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の電極の二乗平均表面粗さが2nm以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の絶縁膜の二乗平均表面粗さが2nm以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
- 前記電界強度は2MV/cm以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電気機械変換装置。
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