JP6610883B2 - 超音波センサー用の圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、超音波センサー用の圧電デバイスに関する。

従来、圧電素子の電気機械変換特性を利用した超音波センサーがある。この超音波センサーでは、圧電素子に電気信号を供給して圧電素子を駆動することで、超音波（送信超音波）が送信される。また、測定対象物から反射された超音波（反射超音波）を圧電素子が受けることで、圧電素子が駆動して電気信号が得られる。超音波センサーを搭載する超音波デバイスでは、これらの電子信号、即ち、送信超音波や反射超音波の波形信号に基づき、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

この種の超音波センサーには、超音波の送信に最適化させた専用送信型、超音波の受信に最適化させた受信専用型、超音波の送信及び受信の両方に最適化させた送受信一体型等の分類がある。また、振動板の圧電素子側が超音波の通過領域となる型（所謂ＡＣＴ面型）、振動板の圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる型（所謂ＣＡＶ面型）等の分類もある。

ここで、超音波センサーの受信特性の向上化を図る場合には、高い変形効率と優れた強誘電性を得る観点から、振動板のＣＡＶ面側への初期撓みを抑制して、且つ残留分極量を増加することが求められる。即ち、引っ張り応力で、振動板の初期撓みをＣＡＶ面側ではなくＡＣＴ面側にすることが望ましい。例えば、特許文献１には、上部電極にイリジウム（Ｉｒ）が使用されたＣＡＶ面型の超音波センサーが開示されている。このＩｒには、引っ張り応力が大きいという特性がある。かかる特性を利用して、振動板の初期撓みをＣＡＶ面側ではなくＡＣＴ面側にすることが可能となる。しかしながら、電極材料としてＩｒを使用すると、圧電素子の残留分極量が減少して、超音波センサーの受信特性が低下してしまう可能性がある。

そこで、Ｉｒと同様に電極材料として利用され、圧電素子の残留分極量を大きく保持することが可能な白金（Ｐｔ）を適用することも考えられる。しかしながら、ＰｔはＩｒよりも引っ張り応力が小さいため、振動板のＣＡＶ面側への初期撓みが大きくなる。特に、化学溶液（ＣＳＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成された圧電体層を有する圧電素子において、そのような傾向が強い。

従って、超音波センサーの電極材料としてＩｒを適用した場合には、Ｉｒの引っ張り応力により変形効率の向上が見込めるが、Ｐｔを適用した場合よりも残留分極量が小さいため、結果として受信特性が低下する可能性がある。一方、電極材料としてＰｔを適用した場合には、Ｉｒより引っ張り応力が小さいため、高い受信特性を得ることは困難である。

特開２０１３−１７５８７９号公報

本発明は、このような実情に鑑みて提案されるものであり、受信特性の向上化を図ることが可能な超音波センサー用の圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の態様は、キャビティを有する基板と、前記キャビティの開口面を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板の、前記キャビティとは反対側の面上に設けられ、第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極とを有する圧電素子とを備えた超音波センサー用の圧電デバイスであって、前記第２電極は、白金層と、イリジウム層とを含む積層構造を有しており、前記白金層は、前記圧電体層と接しており、前記基板の面と平行であり、且つ互いに直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、前記イリジウム層は、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティを少なくともＸ方向に、前記キャビティの外側まで延設されており、前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、第２のイリジウム層が、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティをＹ方向に、前記キャビティの外側まで延設され、前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上において、前記イリジウム層と分離され、前記圧電体層上の両端部から前記Ｙ方向に前記キャビティの外側まで延設され、前記圧電体層の両端部と前記第２のイリジウム層との間には、前記白金層とは分離された第２の白金層が存在することを特徴とする超音波センサー用の圧電デバイスにある。
かかる態様によれば、白金層が圧電体層と接することで残留分極量が増加して強誘電性
の向上が見込める。また、イリジウム層の引っ張り応力によって振動板のＣＡＶ面側への
初期撓みを抑制して変形効率を向上させることが可能となる。従って、超音波センサー用
の圧電デバイスの受信特性を向上させることができる。
また、第２のイリジウム層が、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティをＹ方向に、前記キャビティの外側まで延設され、前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上において、前記イリジウム層と分離されていることにより、Ｘ方向だけでなくＹ方向にもイリジウム層の引っ張り応力が働くため、振動板のＣＡＶ面側への初期撓みをより抑制することが可能となる。よって、超音波センサー用の圧電デバイスの受信特性をより向上させることができる。
さらに、前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上の両端部から前記Ｙ方向に前記キャビティの外側まで延設され、前記圧電体層の両端部と前記第２のイリジウム層との間には、前記白金層とは分離された第２の白金層が存在することにより、圧電素子の熱処理（ＲＡ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ａｎｎｅａｌ）処理）後における第２のイリジウム層の剥離を防いで、電極間の断線を防止することができる。
前記超音波センサー用の圧電デバイスでは、前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在
し、前記白金層は、前記Ｘ方向において前記圧電体層上のみに存在してもよい。
これによれば、圧電素子において良好な界面を形成するための熱処理を行った際に、少
なくとも白金電極上のイリジウム層の剥離を防ぐことができる。
本発明に関連する別の態様は、キャビティを有する基板と、前記キャビティの開口面を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板の、前記キャビティとは反対側の面上に設けられ、第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極とを有する圧電素子とを備えた超音波センサー用の圧電デバイスであって、前記第２電極は、白金層と、イリジウム層とを含む積層構造を有しており、前記白金層は、前記圧電体層と接しており、前記基板の面と平行であり、且つ互いに直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、前記イリジウム層は、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティを少なくともＸ方向に、前記キャビティの外側まで延設されていることを特徴とする超音波センサー用の圧電デバイスにある。

前記超音波センサー用の圧電デバイスでは、前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、前記白金層は、前記Ｘ方向において前記圧電体層上のみに存在してもよい。
これによれば、圧電素子において良好な界面を形成するための熱処理を行った際に、少なくとも白金電極上のイリジウム層の剥離を防ぐことができる。

ここで、前記超音波センサー用の圧電デバイスは、第２のイリジウム層が、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティをＹ方向に、前記キャビティの外側まで延設され、前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上において、前記イリジウム層と分離されていることが好ましい。
これによれば、Ｘ方向だけでなくＹ方向にもイリジウム層の引っ張り応力が働くため、振動板のＣＡＶ面側への初期撓みをより抑制することが可能となる。よって、超音波センサー用の圧電デバイスの受信特性をより向上させることができる。

また、前記超音波センサー用の圧電デバイスでは、前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上の両端部から前記Ｙ方向に前記キャビティの外側まで延設され、前記圧電体層の両端部と前記第２のイリジウム層との間には、前記白金層とは分離された第２の白金層が存在してもよい。
これによれば、圧電素子の熱処理（ＲＡ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ａｎｎｅａｌ）処理）後における第２のイリジウム層の剥離を防いで、電極間の断線を防止することができる。

超音波デバイスの構成例を示す断面図。 超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波センサーの構成例を示す平面図。 超音波センサーの構成例を示す断面図。 超音波センサーの構成例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す平面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す平面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す平面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 超音波センサーの製造例を示す断面図。 実施例１のＰ−Ｅ ｌｏｏｐの測定結果。 実施例３のＰ−Ｅ ｌｏｏｐの測定結果。 比較例２のＰ−Ｅ ｌｏｏｐの測定結果。 比較例６のＰ−Ｅ ｌｏｏｐの測定結果。 デバイス素子の凸撓みを示す模式図。 デバイス素子の凹撓みを示す模式図。 送受信特性の評価手法の説明図。 実施例２及び比較例３の送受信特性の測定結果。 実施例４及び比較例７の送受信特性の測定結果。 撓み形状と送受信特性の関係のシミュレーション結果。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す正面図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図において同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、図２〜図１４において、Ｘ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をそれぞれ第１の方向Ｘ（Ｘ方向）、第２の方向Ｙ（Ｙ方向）及び第３の方向Ｚ（Ｚ方向）として説明する。Ｘ方向及びＹ方向は、板、層及び膜の面内方向を表し、Ｚ方向は、板、層及び膜の厚み方向又は積層方向を表す。

（実施形態１）
（超音波デバイス）
図１は、超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）、装置端末（不図示）から引き出されたケーブル３、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６等を具備して構成されている。

超音波センサー１からは、超音波が送信される。また、測定対象物から反射された超音波が、超音波センサー１によって受信される。これらの超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。

超音波センサー１によれば、後述するように、構造の歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型、超音波の受信に最適化された受信専用型、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型等の何れの超音波センサーにも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは、超音波プローブＩに限定されない。

（超音波センサー）
次に、超音波センサー１の構成例について説明する。図２は、超音波センサーの分解斜視図である。図３は、超音波センサーの基板の平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ´線断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ´線断面図である。

図１及び図２に示すように、超音波センサー１は、超音波センサー素子３１０と、音響整合層１３と、レンズ部材２０と、包囲板４０とを含んで構成されている。超音波センサー素子３１０は、基板１０と、振動板５０と、圧電素子３００とを含んで構成されている。超音波センサー素子３１０に、包囲板４０に加え、音響整合層１３及びレンズ部材２０が設けられることで、超音波センサー１となる。図２において、包囲板４０と支持部材４１とが別体に示されているが、実際には両者は一体的に構成されている。

基板１０には、複数の隔壁１１が形成されている。複数の隔壁１１によって、複数の空間１２が区画されている。基板１０は、Ｓｉ単結晶基板を用いることができる。基板１０は、前記の例に限定されず、ＳＯＩ基板やガラス基板等を用いてもよい。

空間１２は、Ｚ方向に基板１０を貫通するように形成されている。空間１２は、二次元状、即ち、Ｘ方向に複数且つＹ方向に複数形成されている。Ｘ方向をスキャン方向とし、Ｙ方向をスライス方向としたとき、超音波センサー１は、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に超音波の送受信を行う。これにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。空間１２は、Ｚ方向から見たときに正方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１）である。

空間１２の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間１２は、一次元状、即ち、Ｘ方向及びＹ方向の何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、空間１２は、Ｚ方向から見たときに長方形状（Ｘ方向とＹ方向との長さの比が１：１以外）であってもよい。

振動板５０は、空間１２を塞ぐように基板１０上に設けられている。以降、振動板５０の基板１０側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体層５２によって構成されている。この場合、弾性膜５１によって第１面５０ａが構成され、絶縁体層５２によって第２面５０ｂが構成される。

弾性膜５１は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなり、絶縁体層５２は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等からなる。弾性膜５１は、基板１０と別部材でなくてもよい。例えば、基板１０の一部を薄く加工し、これを弾性膜５１として使用してもよい。振動板５０と基板１０とを合わせた厚みは約５０μｍであるが、前記の値に限定されない。振動板５０と基板１０とを合わせた厚みは、可撓性や強度等を考慮して適宜選択可能である。

振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分には、超音波を発信及び／又は受信する圧電素子３００が設けられている。ここで、振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分を可動部と称する。可動部は、圧電素子３００の変位によって振動が生じる部分である。可動部に生じる振動に応じて、超音波センサー１から超音波が送信及び／又は受信される。

音響整合層１３は、空間１２内に設けられている。音響整合層１３が設けられることで、圧電素子３００及び測定対象物の間で音響インピーダンスが急激に変化することを防止でき、その結果、超音波の伝播効率が低下することを防止できる。音響整合層１３は、例えばシリコーン樹脂から構成できるが、前記の例に限定されず、超音波センサーの用途等に応じた材料を適宜選択して用いることができる。

レンズ部材２０は、基板１０の振動板５０とは反対側に設けられている。レンズ部材２０は、超音波を収束させる役割を有している。超音波を電子フォーカス法で収束させる場合等に、レンズ部材２０は省略可能である。ここでは、音響整合層１３が、レンズ部材２０と基板１０との接着機能も有している。レンズ部材２０と基板１０（隔壁１１）との間に音響整合層１３を介在させ、超音波センサー１が構成されている。

レンズ部材２０を超音波センサー素子３１０に実装する際や、レンズ部材２０の実装後にレンズ部材２０の密着性を確保する際に、レンズ部材２０を音響整合層１３側に押圧することがある。レンズ部材２０を具備していない場合や、レンズ部材の代わりに他の部材を設けた場合にも、各部の密着性を確保するため、音響整合層１３側から振動板５０に押圧力を付すこともある。超音波センサー１では、支持部材４１を具備して構成されているため、上記の通り、所定の外圧が振動板５０に加わったとしても、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

超音波センサー１では、振動板５０の圧電素子３００とは反対側が超音波の通過領域となるＣＡＶ面型に構成されている。これによれば、外部からの水分が圧電素子３００に極めて到達し難い構成を実現できるため、使用時の電気的安全性に優れる超音波センサー１となる。しかも、圧電素子３００と振動板５０が薄膜である場合には、振動板５０よりも十分厚みのある包囲板４０の縁部４０ａと支持部材４１が、圧電素子３００を囲むように、振動板５０と接合又は接着される。そのため、製造時のハンドリング性も向上させることができ、超音波センサー１の取り扱いが容易となる。

図３〜図５に示すように、圧電素子３００は、第１電極層６０と、圧電体層７０と、第２電極層８０とを含んで構成されている。各層の厚みは特に限定されず、適用する超音波センサー１に応じて適宜選択可能である。

第１電極層６０は、Ｙ方向に延設され、第２電極層８０は、複数の圧電素子３００に亘ってＸ方向に延設されている。これにより、圧電素子３００は、第１電極層６０の列毎に、また、第２電極層８０の列毎に選択可能となり、上述したスキャン方向（Ｘ方向）にスキャンしながら、スライス方向（Ｙ方向）に延びる列毎に超音波の送受信を行う。ここで、圧電素子３００のうち、第１電極層６０と第２電極層８０とがＺ方向で重なった部分を能動部と称する。能動部は、選択された第１電極層６０と第２電極層８０による電圧の印加により駆動される領域であり、上述した可動部内存在する。

また、本実施形態では、圧電体層７０の変位によって、少なくとも振動板５０及び第１電極層６０が変位する。即ち、本実施形態では、少なくとも振動板５０及び第１電極層６０が、実質的に振動板としての機能を有している。ただし、弾性膜５１及び絶縁体層５２の何れか一方、又は両方を設けずに、第１電極層６０のみが振動板として機能するようにしてもよい。基板１０上に第１電極層６０を直接設ける場合には、第１電極層６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。

圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、Ｚ方向から見たとき、空間１２の内側の領域にある。即ち、圧電体層７０のＸ方向及びＹ方向は、何れも空間１２より短い。ただし、圧電体層７０のＸ方向が空間１２より長い場合や、圧電体層７０のＹ方向が空間１２より長い場合も、本発明に含まれる。圧電体層７０のＸ方向及びＹ方向に基づき、Ｘ方向及びＹ方向が適宜変更された空間１２も許容される。

図２〜図５に示すように、振動板５０の第２面５０ｂ側には、包囲板４０が設けられている。包囲板４０の中央には凹部（圧電素子保持部３２）が形成され、この圧電素子保持部３２の周囲は、包囲板４０の縁部４０ａ及び面４０ｂで囲われる。圧電素子保持部３２によって、圧電素子３００の周囲の領域（圧電素子３００の上面及び側面を含む領域）が覆われる。従って、圧電素子３００の上面は包囲板４０の面４０ｂで覆われ、側面は縁部４０ａで覆われることになる。

包囲板４０は、縁部４０ａにおいて超音波センサー素子３１０側に接合されている。包囲板４０の接合は、接着剤（不図示）を用いることができるが、前記の例に限定されない。圧電素子保持部３２のＺ方向の長さは、約８０μｍであるが、前記の値に限定されない。圧電素子保持部３２の長さは、圧電素子３００の駆動を阻害しない程度のスペースが確保される値であればよい。また、圧電素子保持部３２は、空気で満たされていてもよく、樹脂で満たされていてもよい。包囲板４０の厚さは、約４００μｍであるが、前記の値に限定されない。

超音波センサー１には、包囲板４０の圧電素子３００側の面４０ｂと振動板５０の第２面５０ｂとの間に、支持部材４１が設けられており、この支持部材４１により振動板５０を支持できる。このため、例えば、基板１０にレンズ部材２０を実装する際や、基板１０とレンズ部材２０の密着性を確保する際に、音響整合層１３側から所定の圧力が振動板５０に加わったとしても、振動板５０が圧電素子保持部３２内に大きく撓むことが防止される。よって、構造歪みが生じることを抑制でき、高い信頼性を確保できる。

更に、支持部材４１は、圧電素子３００と重ならない位置に設けられている。このため、圧電素子３００が支持部材４１によって過度に拘束されることが回避される。よって、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することも防止される。

圧電素子３００と重ならない位置とは、Ｚ方向から見たとき、上記の能動部（第１電極層６０と第２電極層８０とで挟まれた部分）に重ならない位置である。特に、超音波センサー１では、隔壁１１よりも狭い幅を有している支持部材４１が、Ｙ方向の隣り合う空間１２の間に設けられている。つまり、Ｚ方向から見たとき、支持部材４１が、上記の可動部（振動板５０の第２面５０ｂ側のうち空間１２に対応する部分）にすら重なっていない。このため、支持部材４１を設けていない場合と比べ、超音波の送信効率や受信効率が過度に低下することが確実に防止される。支持部材４１は、接着剤（不図示）により超音波センサー素子３１０側に接合されているが、接合の手法は前記の例に限定されない。

支持部材４１は、Ｘ方向に沿って延びる梁形状を有している。これによれば、Ｘ方向に亘る広い範囲で振動板５０を支持できる。梁形状の支持部材４１は、Ｘ方向ではなく、Ｙ方向に沿って延在していてもよい。梁形状の支持部材４１は、延在する片方の端部が、包囲板４０の縁部４０ａから離れていてもよい。延在方向の少なくとも片方の端部が包囲板４０の縁部４０ａに接していれば、梁形状の支持部材４１に含まれる。

梁形状の支持部材４１は、包囲板４０をウェットエッチングすることで作製されたものである。このように、支持部材４１は、包囲板４０の構成材料を活かして作製されており、包囲板４０と同一の構成を有している。ウェットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができるため、梁形状の支持部材４１を作製するのには好適な手法である。

圧電素子保持部３２の中心部分は、包囲板４０の縁部４０ａから比較的離れている。従って、振動板５０において、圧電素子保持部３２の中心部分に対応する中心箇所Ｃでは、支持部材４１がない場合に剛性が低くなりやすい。そこで、支持部材４１は、そのような振動板５０の中心箇所Ｃを支持するように、圧電素子保持部３２の中心部分に設けられている。これにより、より高い信頼性を確保できる。

本発明において、支持部材４１の数、配置、形状等は種々に選択が可能である。例えば、支持部材４１は複数であってもよい。その場合、支持部材４１は、圧電素子保持部３２内に、等間隔に設けられることが好ましい。これによれば、振動板５０を万遍なく支持できる。従って、振動板５０の数は、３つ以上の奇数であることが好ましい。これは、圧電素子保持部３２内に支持部材４１を等間隔に設けたとき、その中央の支持部材４１が、振動板５０の中心箇所Ｃの近傍に位置し得るためである。例えば、支持部材４１の数は、３つ程度であるとバランスがよい。

支持部材４１は、梁形状を有していなくてもよい。振動板５０の中心箇所Ｃからずれた部分のみに設けられてもよい。支持部材４１は、支持部材４１は、延在方向に直線状でなくてもよい。支持部材４１の作製手法によっては、支持部材４１のＸＹ平面の断面積がＺ方向に応じて異なる態様となる場合がある。

圧電体層７０は、空間１２毎にパターニングして構成され、上記の第１電極層６０及び第２電極層８０に挟持されている。圧電体層７０は、例えばＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物を含んで構成されている。ＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。

圧電体層７０を構成する複合酸化物としては、圧電特性が比較的高く、鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）を含むＰＺＴ系の複合酸化物が挙げられる。ＰＺＴ系の複合酸化物を用いることで、圧電素子３００の変位の向上を図りやすくなる。また、この他に、鉛、マグネシウム（Ｍｇ）、ニオブ（Ｎｂ）及びチタンを含むＰＭＮ−ＰＴ系の複合酸化物等も適用できる。

また、圧電体層７０を構成する複合酸化物として、鉛の含有量を抑えた非鉛系材料を用いることもできる。非鉛系材料としては、例えば、ビスマス（Ｂｉ）及び鉄（Ｆｅ）を含むＢＦＯ系の複合酸化物、ビスマス、バリウム（Ｂａ）、鉄及びチタンを含むＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物、ビスマス、鉄、マンガン（Ｍｎ）、バリウム及びチタンを含むＢＦＭ−ＢＴ系の複合酸化物、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）及びニオブを含むＫＮＮ系の複合酸化物等が挙げられる。非鉛系材料を用いることで、圧電体層７０の鉛含有量を抑えることができるため、環境への負荷が少ない超音波センサー１を構成できる。

これらの複合酸化物には、他の元素が含まれていてもよい。他の元素としては、圧電体層７０のＡサイトの一部と置換されるリチウム（Ｌｉ）、ビスマス、バリウム、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等や、圧電体層７０のＢサイトの一部と置換されるマンガン、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム、マグネシウム、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン、ジルコニウム等が挙げられる。

また、ＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する複合酸化物には、欠損や過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。即ち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。

圧電体層７０は、複数の複合酸化物や他の材料からなる積層構造を有していてもよい。例えば、最上層及び最下層に、Ｔｉ層等の密着層を設けて圧電体層７０としてもよい。或いは、複合酸化物からなる下地層とメイン層とをそれぞれ設け、これらの層間に、例えば、結晶の配向性を向上させるための制御層が設けられてもよい。このような制御層は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘ）層等から構成できる。勿論、下地層やメイン層の最上層及び最下層に、それぞれ密着層を設けてもよい。

第１電極層６０の材料は、導電性を有する材料であれば制限されない。第１電極層６０の材料としては、金属材料、酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、酸化物導電材料等が挙げられる。金属材料は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等である。酸化スズ系導電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等である。酸化物導電材料は、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等である。第１電極層６０の材料は、導電性ポリマー等でもよい。また、第１電極層６０は、複数の材料からなる積層構造を有していてもよい。例えば、最上層及び最下層に、Ｔｉ層等の密着層を設けて第１電極層６０としてもよい。なお、圧電素子３００と振動板５０の間に設けられる最下層に密着層を設ける場合には、上記材料に限定されず、酸化チタン（ＴｉＯ_Ｘや窒化シリコン（ＳｉＮ）等の材料を用いてもよい。

本発明では、第２電極層８０は、白金（Ｐｔ）からなる下層側電極８０ａと、イリジウム（Ｉｒ）からなる上層側電極８０ｂとを含む積層構造を有している。つまり、Ｐｔからなる下層側電極８０ａが圧電体層７０と接している。これにより、圧電体層７０の残留分極量が増加して、強誘電性の向上が見込めるようになる。その結果、Ｐｔからなる下層側電極８０ａが圧電体層７０と接した圧電素子３００を適用した超音波センサー１は、優れた受信特性を得ることが可能となる。

ここで、下層側電極８０ａは、圧電体層７０上に存在し（図５参照）、上層側電極８０ｂは、下層側電極８０ａ上から圧電体層７０の側面を覆い、各圧電体層７０間の振動板５０を構成する絶縁体層５２上に連続的に設けられ、Ｘ方向に延設されている（図５参照）。なお、下層側電極８０ａは、Ｘ方向に連続的に設けてもよい。

また、下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂは、図４に図示するように、Ｙ方向においては、圧電体層７０の中央部のみに設けられている。即ち、圧電体層７０上の上層側電極８０ｂは、下層側電極８０ａを介して形成されている。

これにより、詳細は後述するが、圧電素子３００において良好な界面を形成するための熱処理を行った際に、少なくともＰｔからなる下層側電極８０ａ上のＩｒからなる上層側電極８０ｂの剥離を防ぐことができる。

更に、各圧電体層７０のＹ方向の両端部上には、下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂと同一の層で構成されるＰｔ層８１ａ及びＩｒ層８１ｂが設けられ、Ｉｒ層８１ｂのみ、圧電体層７０の側面を覆って圧電体層７０間の第１電極層６０上に延設され、隣接する圧電体層７０の端部まで延びている。

このようなＰｔ層８１ａ及びＩｒ層８１ｂは、下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂと同時に形成され、パターニングによって分離されたものである。即ち、かかるパターニングにより、Ｐｔ層８１ａ及びＩｒ層８１ｂは、下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂのＹ方向の両側端部から、間隔Ｌだけ離間している。この間隔Ｌは、約５μｍ程度であるが、これに限定されない。なお、Ｉｒ層８１ｂは、必ずしも設けなくてもよい。

即ち、図３に示すように、第２電極層８０のうち、少なくともＩｒからなる上層側電極８０ｂは、少なくともＸ方向に圧電素子３００及び空間１２（キャビティ）の外側まで延設された形状にパターニングして構成されている。かかる構成により、Ｉｒからなる上層側電極８０ｂの引っ張り応力によって振動板５０のＣＡＶ面側への初期撓みを抑制して変形効率を向上させることができ、圧電素子３００を適用した超音波センサー１は、優れた受信特性を得ることが可能となる。

また、変形効率の更なる向上化の観点から、Ｉｒ層８１ｂは、Ｙ方向に圧電素子３００及び空間１２の外側まで延設され、圧電体層７０上において、その一部が上層側電極８０ｂと分離された形状にパターニングして構成されていることが好ましい。即ち、Ｘ方向に圧電素子３００及び空間１２の外側まで延設された上層側電極８０ｂの引っ張り応力に、Ｙ方向に圧電素子３００及び空間１２の外側まで延設されたＩｒ層８１ｂの引っ張り応力が加わることになる。かかる構成により、圧電素子３００に対し、Ｘ方向だけでなくＹ方向にもＩｒの引っ張り応力が働くため、振動板５０のＣＡＶ面側への初期撓みをより抑制することができる。

なお、上述した通り、圧電体層７０の両端部とＩｒ層８１ｂとの間には、下層側電極８０ａとは分離されたＰｔ層８１ａが存在する。かかる構成により、後述する圧電素子３００の熱処理（ＲＡ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ａｎｎｅａｌ）処理）後におけるＩｒ層８１ｂの剥離を防いで、電極間の断線を防止することができる。

下層側電極８０ａと上層側電極８０ｂの層間には、上述の導電性を有する材料からなる他の層が設けられてもよい。積層構造の上層側電極８０ｂを形成する場合には、上述の第１電極層６０と同様にして、最上層及び最下層に、Ｔｉ層等の密着層を設けて上層側電極８０ｂとしてもよい。なお、上層側電極８０ｂの最上層に設けられる密着層は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、チタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）等による引き回し配線を重ねるために設けられる。また、当該配線をめっきで形成する場合には、密着層の替わりにパラジウム（Ｐｄ）等のシード層が形成されてもよい。或いは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の保護膜が設けられてもよい。

本実施形態では、後述するＲＡ処理を行う観点から、圧電体層７０と第２電極層８０の層間に、他の層が介在しないことが望ましい。ただし、ＲＡ処理の影響を受けない程度であれば、部分的な他の層の介在は許容される。他の層としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属層；ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、チタン−タングステン（Ｔｉ−Ｗ）等の合金層；ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３；ＬＮＯ）、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ_３；ＳＲＯ）等の導電性酸化物層等が挙げられる。

（製造方法）
次に、超音波センサー１の製造方法の一例を説明する。図６〜図１４は、主に超音波センサー素子側の製造方法の工程を示している。図６、図９及び図１２は、超音波センサー素子をＺ方向から見た平面図である。図７は図６のＣ−Ｃ′線断面図であり、図８は図６のＤ−Ｄ′線断面図である。図１０は図９のＥ−Ｅ′線断面図であり、図１１は図９のＦ−Ｆ′線断面図である。図１３は図１２のＧ−Ｇ′線断面図であり、図１４は図１２のＨ−Ｈ′線断面図である。

まず、図６〜図８に示すように、シリコン製の基板１０（以下、「ウェハー１１０」という。）の表面に、熱酸化等によって二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜５１を形成する。その後、弾性膜５１上にスパッタリング法等にてジルコニウム（Ｚｒ）を成膜し、熱酸化等によって酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体層５２を形成して振動板５０とする。そして、絶縁体層５２上に、第１電極層６０をスパッタリング法や蒸着法等で形成する。このとき、同種又は異種の電極層からなる積層構造を有する第１電極層６０を形成してもよい。

次いで、図９〜図１１に示すように、第１電極層６０上に圧電体層７０を形成し、これらを所定形状にパターニングする。圧電体層７０は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、化学溶液法（ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法）を用いて形成できる。ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。

圧電体層７０をＣＳＤ法で形成する場合の具体的な形成手順例は、以下の通りである。即ち、金属錯体を含むＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）溶液やゾルからなり、圧電体層７０を形成するための前駆体溶液を作成する。そして、この前駆体溶液を、第１電極層６０上に、スピンコート法等を用いて塗布して前駆体膜（不図示）を形成する（塗布工程）。この前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、更に乾燥した前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。前駆体膜を所定温度に加熱して保持することによって結晶化させ、圧電体層７０を形成する（焼成工程）。ＣＳＤ法によって形成された圧電体層７０は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程によって形成された圧電体膜を複数有する。即ち、圧電体層７０は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。なお、塗布工程から焼成工程までの一連の工程において、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。

ＣＳＤ法によって形成された層や膜は、界面を有する。ＣＳＤ法によって形成された層や膜には、塗布又は焼成の形跡が残り、このような形跡は、その断面を観察したり、層内（或いは膜内）における元素の濃度分布を解析したりすることによって確認可能な「界面」となる。「界面」とは、厳密には層間或いは膜間の境界を意味するが、ここでは、層或いは膜の境界付近を意味するものとする。湿式法によって形成された層や膜の断面を観察した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも色が濃い部分、あるいは他よりも色が薄い部分として確認される。また、元素の濃度分布を解析した場合、このような界面は、隣の層や膜との境界付近に、他よりも元素の濃度が高い部分、或いは他よりも元素の濃度が低い部分として確認される。圧電体層７０は、塗布工程や焼成工程を複数繰り返して形成される（複数の圧電体膜によって構成される）ため、各圧電体膜に対応して、複数の界面を有することとなる。

なお、この工程では、同種又は異種の電極層からなる積層構造を有する圧電体層７０を形成することもできる。例えば、圧電体の下地層上に、高配向化を図る観点から制御層を形成し、更に圧電体のメイン層を形成して圧電体層７０を作製してもよいし、圧電体層７０の最下層及び最上層に密着層をそれぞれ設けてもよい。

次いで、振動板５０及び圧電体層７０上に下層側電極８０ａを構成するＰｔ層８２ａを形成し、熱処理（ＲＡ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ａｎｎｅａｌ）処理）を施した後に、圧電体層７０及びＰｔ層８２ａを圧電素子３００（図３参照）毎にパターニングする。Ｐｔ層８２ａは、スパッタリング法や蒸着法等で形成する。また、ＲＡ処理は、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いる。ここで、Ｐｔ層８２ａは、高い化学安定性と熱処理により酸化物を生じない電極材料、即ち白金（Ｐｔ）により形成されている。このため、ＲＡ処理による電気抵抗率の上昇を防止しつつ、後述する上層側電極８０ｂ（図１３，１４参照）との良好な界面を形成することができる。

また、Ｐｔ層８２ａからなる下層側電極８０ａは、ＲＡ処理によって電気特性が損なわれないことから、圧電体層７０の残留分極量が増加して強誘電性が向上する。その結果、Ｐｔ層８２ａからなる下層側電極８０ａが圧電体層７０と接した圧電素子３００を超音波センサー１に適用した場合において、優れた受信特性を得ることができる。

次いで、図１２〜図１４に示すように、振動板５０、第１電極層６０及び下層側電極８０ａ上に、上層側電極８０ｂを構成するＩｒ層８２ｂをスパッタリング法や蒸着法等で形成する。その後、Ｉｒ層８２ｂを、Ｘ方向に圧電素子３００及び空間１２（キャビティ）の外側まで延設した形状にパターニングし、上層側電極８０ｂとする。また、図１４に示すように、圧電体層７０上において、Ｙ方向においては上層側電極８０ｂと分離され、圧電体層７０の両端部から圧電体層７０の側面を覆い、圧電体層７０の間に延設されるＩｒ層８１ｂをパターニングする。第２電極層８０と、Ｐｔ層８１ａ及びＩｒ層８１ｂとの間隔Ｌの部分はＰｔ層８２ａが切断され、圧電体層７０の両端部上にＰｔ層８１ａが残る。

ここで、上層側電極８０ｂは、電気抵抗率が低く、受信特性を向上させるための引っ張り応力を有する電極材料、即ちイリジウム（Ｉｒ）により形成されている。例えばＩｒは、ＲＡ処理により酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）が生じて電気抵抗率が上昇し、下層側電極８０ａであるＰｔ界面における密着性が低下して電極の剥離が発生するが、下層側電極８０ａの形成後であって上層側電極８０ｂの形成前にＲＡ処理を行うことによって、これらの問題を解決することができる。

また、一方の圧電体層７０の端部からＹ方向に他方の圧電体層７０の端部にＩｒ層８１ｂを設けたので、Ｉｒ層８１ｂによって振動板５０のＣＡＶ面側への初期撓みを抑制して変形効率を向上させることができる。その結果、かかる構成の圧電素子３００を超音波センサー１に適用することにより、優れた受信特性を得ることが可能となる。

更に、図１３及び図１４に示すように、ウェハー１１０の圧電素子３００とは反対側の表面にレジスト（不図示）を設け、このレジストを所定形状にパターニングしてマスク膜（不図示）を形成する。そして、このマスク膜を介して、ウェハー１１０を、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）する。これにより、基板１０（ウェハー１１０）の圧電素子３００に対向する領域に空間１２を形成する。

また、ウェハー１４０（包囲板４０）の表面にレジスト（不図示）を設け、このレジストを所定形状にパターニングしてマスク膜（不図示）を形成する。ここでは、図２に示すように、ウェハー１４０の縁部４０ａにマスク膜（不図示）を形成するとともに、このマスク膜から連続してＸ方向に延びるマスク膜（不図示）を形成している。そして、これらのマスク膜を介して、ウェハー１４０を、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）する。これにより、支持部材４１及び圧電素子保持部３２が形成された包囲板４０が作製される。なお、ウェットエッチングは、例えばドライエッチングに比べ、加工精度は劣るものの、短時間で多くの領域を削ることができる。

その後は、各部材を順次設けて、図２に示す超音波センサー１を作製する。即ち、包囲板４０及び支持部材４１を、支持部材４１が圧電素子３００と重ならないように、接着剤（不図示）により、超音波センサー素子３１０と接合する。そして、空間１２内に音響整合層１３を設けてレンズ部材２０を接合する。音響整合層１３及びレンズ部材２０を接合した後に、包囲板４０及び支持部材４１を超音波センサー素子３１０に接合してもよい。

以下、実施例を示し、本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜ＰＺＴ前駆体溶液の調製＞
容器に酢酸及び水を量り取り、次いで酢酸鉛、ジルコニウムブトキシド、チタニウムテトラ−ｉ−プロポキシド、及びポリエチレングリコールを量り取って、これらを９０℃で加熱撹拌を行うことでＰＺＴ前駆体溶液を作製した。

＜振動板の作製＞
６ｉｎｃｈシリコン基板（ウェハー１１０）を熱酸化することで、当該基板上に二酸化シリコン膜（弾性膜５１）を形成した。次に、スパッタリング法にてジルコニウム膜を形成し、熱酸化させることで酸化ジルコニウム膜（絶縁体層５２）を得た。これらの工程により、二酸化シリコン膜と酸化ジルコニウム膜を含む振動板５０を作製した。

＜第１電極層の作製＞
上記の振動板５０上（酸化ジルコニウム膜（絶縁体層５２）上）に、スパッタリング法にてチタン層、白金層、イリジウム層、及びチタン層の順番で形成し、第１電極層６０を作製した。なお、実施例１では、層間又は膜間の密着性を高めるための密着層としてチタン層を形成した。

＜圧電体層（下地層）の作製＞
第１電極層６０上に、上記のＰＺＴ前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、１４０℃及び３７０℃で乾燥／脱脂を行って脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を使用し７３７℃で加熱処理を行ってＰＺＴからなる圧電体層（下地層）を作製した。

＜第１電極層及び圧電体層（下地層）のパターニング＞
上記の圧電体層（下地層）上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより第１電極層６０及び圧電体層（下地層）をパターニングした。

＜制御層の作製＞
パターニング後の圧電体層（下地層）及び振動板５０上に、スパッタリング法にて４ｎｍのチタン層を形成した。なお、このチタン層は、後述する圧電体層（メイン層）の結晶の配向性を向上させるための制御層である。

＜圧電体層（メイン層）の作製＞
圧電体層（下地層）と同様の条件で塗布／乾燥／脱脂を２回行い、圧電体層（下地層）と同様の条件でＲＴＡ装置による加熱処理を行った。これらの操作を４回繰り返して行うことで、制御層であるチタン層上に圧電体層（メイン層）を形成した。これにより、実施例１では、圧電体層（下地層）、チタン層及び圧電体層（メイン層）を含む圧電体層７０を得た。

＜下層側電極の作製＞
上記の圧電体層７０上（圧電体層（メイン層）上）に、スパッタリング法にて２０ｎｍの白金層（下層側電極８０ａ）を形成した。次に、ＲＴＡ装置を使用して６００℃、５分間のＲＡ（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ａｎｎｅａｌ）処理を行った。

＜チタン層、圧電体層（メイン層）及び下層側電極のパターニング＞
上記の白金層（下層側電極８０ａ）上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりチタン層、圧電体層（メイン層）及び白金層をパターニングした。

＜上層側電極の作製＞
パターニング後の白金層（下層側電極８０ａ）上に、スパッタリング法にて３０ｎｍのイリジウム層（上層側電極８０ｂ）を形成した。次に、イリジウム層上に、スパッタリング法にて１５ｎｍのチタン層を形成した。これにより、実施例１では、白金層、チタン層及びイリジウム層を含む第２電極層８０を得た。なお、このチタン層は、金等による引き回し配線を重ねるための密着層である。

＜上層側電極及びチタン層のパターニング＞
上記のチタン層上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングによりイリジウム層（上層側電極８０ｂ）及びチタン層をパターニングした。

実施例１では、以上の工程により、第１電極層６０と、圧電体層７０と、白金層（下層側電極８０ａ）及びイリジウム層（上層側電極８０ｂ）を含む第２電極層８０とを備えた圧電素子３００が完成した。

＜ＣＡＶ構造の形成＞
シリコン基板（ウェハー１１０）の振動板５０を挟んで圧電素子３００とは反対側の面上に形成された二酸化シリコン膜を、研削処理によって除去するとともに、基板厚みが４００μｍとなるように基板を研削研磨した。次に、研削した面に所定形状のクロム（Ｃｒ）膜を形成することで、Ｃｒハードマスクを作製した。次に、圧電素子３００を防水した状態で、ＫＯＨを含むエッチング液に基板を浸漬することで、シリコン基板の振動板５０を挟んで圧電素子３００とは反対側の面に、所定形状のキャビティ（ＣＡＶ）を形成した。

実施例１では、以上の工程により、第１電極層６０と、圧電体層７０と、白金層（下層側電極８０ａ）及びイリジウム層（上層側電極８０ｂ）を含む第２電極層８０とを備えた圧電素子３００を有し、更にＣＡＶが形成されたデバイス素子Ａを得た。ここでは、デバイス素子Ａのデバイス構造を「ａ」とし、デバイス構造ａにおける能動部（第１電極層６０と第２電極層８０とで挟まれた部分）のアスペクト比（Ｘ方向とＹ方向との比）を１：２５とした。

（実施例２）
実施例２では、実施例１とは異なるパターニング形状により、第１電極層６０、圧電体層７０及び第２電極層８０のパターニングを行い、第１電極層６０と、圧電体層７０と、白金層（下層側電極８０ａ）及びイリジウム層（上層側電極８０ｂ）を含む第２電極層８０とを備えた圧電素子３００が完成した。

その後、シリコン基板（ウェハー１１０）の振動板５０を挟んで圧電素子３００とは反対側の面上に形成された二酸化シリコン膜を、研削処理により除去するとともに、シリコン基板のＳｉを１５０μｍまで研削し、ドライエッチングにより所定形状のキャビティ（ＣＡＶ）を形成した。次に、ＣＡＶを覆うように、研削した面上に接着剤にて金属のバックプレートを接着した。次に、シリコン基板の振動板５０側の面上に、音響整合層１３を介してレンズ部材２０を接合した。次に、フレキシブルケーブルによって、基板上の端子（第１電極層６０及び第２電極層８０）と、制御回路が設けられた外部回路基板上の端子とを接続し、更にプラスチックケースで防水パッケージすることで、デバイス素子Ｂを得た。ここでは、デバイス素子Ｂのデバイス構造を「ｂ」とし、デバイス構造ｂにおける能動部（第１電極層６０と第２電極層８０とで挟まれた部分）のアスペクト比（Ｘ方向とＹ方向との比）を１：２とした。

（比較例１）
比較例１では、第２電極層８０における下層側電極８０ａを２０ｎｍのＰｔ層とし、上層側電極８０ｂを４０ｎｍとした以外は、実施例１と同様にしてデバイス素子を作製した。

（比較例２）
比較例２では、第２電極層８０における下層側電極８０ａを４ｎｍのＩｒ層上に５ｎｍＴｉ層を形成した電極層とし、７４０℃、７分間のＲＡ処理を行ったこと以外は、実施例１と同様にしてデバイス素子を作製した。

（比較例３）
比較例３では、第２電極層８０における下層側電極８０ａを４ｎｍのＩｒ層上に５ｎｍＴｉ層を形成した電極層とし、７４０℃、７分間のＲＡ処理を行ったこと以外は、実施例２と同様にしてデバイス素子を作製した。

（比較例４）
比較例４では、第２電極層８０における下層側電極８０ａを４ｎｍのＩｒ層上に５ｎｍＴｉ層を形成し、７４０℃、７分間のＲＡ処理を行った電極層としたこと、及び上層側電極８０ｂを２０ｎｍのＰｔ層としたこと以外は、実施例１と同様にしてデバイス素子を作製した。

（実施例３）
実施例３では、ＰＺＴ前駆体溶液に替えてＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液を用いたこと、及び圧電体層の作製条件が異なること以外は実施例１と同様にしてデバイス素子を作製した。つまり、実施例３のデバイス素子は、圧電体層７０におけるメイン層がＰＭＮ−ＰＴからなり、デバイス構造ａを有するものである。

＜ＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液の調製＞
ＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液は、次の通りに作製した。まず、容器に２−ブトキシエタノールとジメチルアミノエタノールを量り取り混合溶液を作製した。次に、乾燥窒素を充填したグローブボックス中でチタニウムテトラ−ｉ−プロポキシドとニオブペンタ−ｎ−ブトキシドとを量り取り、上記の混合溶液に混合した。その後、室温にて十分撹拌した後に、大気下で酢酸マグネシウム及び酢酸鉛をそれぞれ量り取り、室温にて混合／撹拌を行うことで、ＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液を作製した。

＜圧電体層（下地層Ａ）の作製＞
第１電極層６０上に、上記のＰＺＴ前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、１４０℃及び３７０℃で乾燥／脱脂を行うことで脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を使用し７３７℃で加熱処理を行うことで、ＰＺＴからなる圧電体層（下地層Ａ）を作製した。

＜第１電極層及び圧電体層（下地層Ａ）のパターニング＞
上記の圧電体層（下地層Ａ）上に、フォトリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより第１電極層６０及び圧電体層（下地層Ａ）をパターニングした。

＜制御層の作製＞
パターニング後の圧電体層（下地層Ａ）及び振動板５０上に、スパッタリング法にて４ｎｍのチタン層を形成した。なお、このチタン層は、後述する圧電体層（メイン層）の結晶の配向性を向上させるための制御層である。

＜圧電体層（下地層Ｂ）の作製＞
圧電体層（下地層Ａ）と同様の条件で塗布／乾燥／脱脂を行い、圧電体層（下地層Ａ）と同様の条件でＲＴＡ装置による加熱処理を行い、上記のチタン層上に、圧電体層（下地層Ｂ）を形成した。

＜圧電体層（メイン層）の作製＞
上記の圧電体層（下地層Ｂ）上に、上記のＰＭＮ−ＰＴ前駆体溶液をスピンコート法で塗布した後、１８０℃及び３５０℃で乾燥／脱脂を行うことで脱脂膜を作製した。この脱脂膜に対しＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を使用し７５０℃で加熱処理を行うことで、ＰＭＮ−ＰＴからなる圧電体膜を作製した。この圧電体膜の作製工程を６回繰り返して行うことで、圧電体層（下地層Ｂ）上に圧電体層（メイン層）を形成した。これにより、実施例１では、圧電体層（下地層Ａ）、チタン層、圧電体層（下地層Ｂ）及び圧電体層（メイン層）を含む圧電体層７０を得た。

（実施例４）
実施例４では、圧電体層の作製条件が実施例３と同様であること以外は実施例２と同様にしてデバイス素子を作製した。つまり、実施例４のデバイス素子は、圧電体層７０におけるメイン層がＰＭＮ−ＰＴからなり、デバイス構造ｂを有するものである。

（比較例５）
比較例５では、圧電体層の作製条件が実施例３と同様であること以外は比較例１と同様にしてデバイス素子を作製した。

（比較例６）
比較例６では、圧電体層の作製条件が実施例３と同様であること以外は比較例２と同様にしてデバイス素子を作製した。

（比較例７）
比較例７では、圧電体層の作製条件が実施例３と同様であること以外は比較例３と同様にしてデバイス素子を作製した。

（評価内容）
＜形状観察＞
実施例１〜４及び比較例１〜７の外観形状（積層状態、断線、剥離等の外観上の異常の有無）を、光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した。その結果、比較例４のデバイス素子において、第２電極層８０の剥離が確認され、このデバイス素子以外では、特性に影響を及ぼす特異な外観上の異常は観測されなかった。

＜Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐ測定＞
実施例１，３及び比較例２，６について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」を用い、φ＝５００μｍの電極パターンを使用し、室温で周波数１ｋＨｚの三角波を印加して、分極量Ｐ（μＣ ｃｍ^−２）と電圧Ｅ（Ｖ）の関係（Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐ）を求めた。図１５に、実施例１を±２５Ｖで測定したＰ−Ｅ ｌｏｏｐを示す。同様に、図１６に実施例３、図１７に比較例２、及び図１８に比較例６の測定結果をそれぞれ示す。また、各Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐの測定結果より求めた残留分極量Ｐｒ（μＣ ｃｍ^−２）を表１に示す。

表１に示す通り、第２電極層８０の下層側電極８０ａとしてＰｔを用いた実施例１では、残留分極量Ｐｒが２５μＣ ｃｍ^−２であったのに対し、下層側電極８０ａとしてＴｉ／Ｉｒを用いた比較例２では、残留分極量Ｐｒが２２．７μＣ ｃｍ^−２であった。即ち、実施例１は比較例２と比較して残留分極量Ｐｒが１割程度増加していた。

また、表１に示す通り、第２電極層８０の下層側電極８０ａとしてＰｔを用いた実施例３では、残留分極量Ｐｒが１４．６μＣ ｃｍ^−２であったのに対し、下層側電極８０ａとしてＴｉ／Ｉｒを用いた比較例６では、残留分極量Ｐｒが４．３μＣ ｃｍ^−２であった。即ち、実施例３は比較例６と比較して残留分極量Ｐｒが３倍程度増加していた。

以上のことから、下層側電極８０ａにＰｔを使用することで、デバイス素子の強誘電性を向上できることが明らかとなった。また、強誘電性の向上効果は、素子構造によらずに享受できることが明らかとなった。

＜初期撓み測定＞
実施例１〜４及び比較例１〜７について、電圧無印加状態での撓み量（初期撓み量）を、Ｖｅｅｃｏ社製の光干渉型表面形状粗さ測定システム「ＮＴ９３００ＤＭＥＭＳ」を用いて測定した。図１９に、デバイス素子のＣＡＶ（空間１２）に対して凸状に撓んだ状態（以下、「凸撓み」という。）の模式図を示し、図２０に、デバイス素子のＣＡＶ（空間１２）に対して凹状に撓んだ状態（以下、「凹撓み」という。）の模式図を示す。また、各初期撓み測定結果を表１に示す。表１では、撓みがない場合をゼロとし、凸撓みの場合（図１９参照）の初期撓み量ｄをプラス、凹撓みの場合（図２０参照）の初期撓み量ｄをマイナスと表記した。

表１に示す通り、第２電極層８０の下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂの両方でＴｉ／Ｉｒを使用した比較例２では、初期撓み量ｄが＋１１ｎｍの凸撓みとなった。即ち、比較例２では、主にＩｒが圧電素子３００及び振動板５０に対して面内方向に引っ張り応力を付与し、圧電素子３００が振動板５０に対して与える圧縮応力との釣り合いが取れるため、＋１１ｎｍの凸撓みとなる。

一方、下層側電極８０ａでＰｔを使用し、上層側電極８０ｂを形成しなかった比較例１では、初期撓み量ｄが−２１４ｎｍの凹撓みとなった。即ち、比較例１では、Ｐｔが圧電素子３００及び振動板５０に与える面内応力が小さく、圧電素子３００が振動板５０に対して与える圧縮応力が支配的となるため、−２１４ｎｍの凹撓みとなる。

これに対し、下層側電極８０ａでＰｔ、上層側電極８０ｂでＴｉ／Ｉｒを使用した実施例１では、初期撓み量ｄが０ｎｍとなり、比較例１に対して初期撓み位置が大きく改善された。

また、表１に示す通り、第２電極層８０の下層側電極８０ａ及び上層側電極８０ｂの両方でＴｉ／Ｉｒを使用した比較例６では、初期撓み量ｄが−５７ｎｍの凹撓みとなった。即ち、比較例６では、主にＩｒが圧電素子３００及び振動板５０に対して面内方向に引っ張り応力を付与し、圧電素子３００が振動板５０に対して与える圧縮応力との釣り合いが取れるため、−５７ｎｍの凹撓みとなる。

一方、下層側電極８０ａでＰｔを使用し、上層側電極８０ｂを形成しなかった比較例５では、初期撓み量ｄが−１５９ｎｍの凹撓みとなった。即ち、比較例５では、Ｐｔが圧電素子３００及び振動板５０に与える面内応力が小さく、圧電素子３００が振動板５０に対して与える圧縮応力が支配的となるため、−１５９ｎｍの凹撓みとなる。

これに対し、下層側電極８０ａでＰｔ、上層側電極８０ｂでＴｉ／Ｉｒを使用した実施例３では、初期撓み量ｄが−７６ｎｍの凹撓みとなり、比較例５に対して初期撓み位置が大きく改善された。

以上の結果から、下層側電極８０ａをＰｔのまま上層側電極８０ｂをＴｉ／Ｉｒとすることで、初期撓みは大きく改善することが明らかとなった。また、初期撓みの改善効果は、素子構造によらずに享受できることが明らかとなった。なお、上述した通り、上層側電極８０ｂのＴｉは、Ａｕ等による引き回し配線を重ねるための密着層であり、Ｔｉの形成がＩｒの引っ張り応力に悪影響を及ぼすことは無い。

また、パターン形状の問題で、実施例２，４及び比較例３，７の初期撓み量ｄを測定することはできなかったが、外観の観察により、実施例２は実施例１に、実施例４は実施例３に、比較例３は比較例２に、比較例７は比較例６に準じる撓み形状となっていることがわかった。

＜送受信特性＞
図２１に、送受信特性の評価手法について説明するための図を示す。図示するように、送受信特性は、評価機４００、超音波素子４０１及びＳＵＳ板４０２を用いて測定した。実施例１，２及び比較例１〜４では、水中における６ＭＨｚの送受信特性の評価を行い、実施例３，４及び比較例５〜８では、水中における５．５ＭＨｚの送受信特性の評価を行った。

ここで、送受信特性とは、水中に入れた超音波素子４０１がＤＣ１０Ｖ印加下で±６Ｖの波形を挿入することで発信した縦波Ｗ１を、２０ｍｍ先に設置されたＳＵＳ製の板（ＳＵＳ板４０２）で反射させ、その反射波Ｗ２を同一素子（超音波素子４０１）で受信した時に生じる受信電圧の特性である。

図２２に、実施例２と比較例３の送受信電圧を示し、図２３に、実施例４と比較例７の送受信電圧を示す。図２２に示す通り、下層側電極８０ａにＴｉ／Ｉｒを使用した比較例３の送受信電圧が３２．３ｍＶであるのに対し、下層側電極８０ａにＰｔを使用した実施例２の送受信電圧は３６．６ｍＶとなり、約１３％向上することが明らかとなった。同様にして、図２３に示す通り、下層側電極８０ａにＴｉ／Ｉｒを使用した比較例７と比較して、下層側電極８０ａにＰｔを使用した実施例４の送受信電圧は、大幅に向上して良好な送受信感度を示すことが明らかとなった。

この結果から、下層側電極８０ａにＰｔを使用することで強誘電性を向上させ、上層側電極８０ｂにＴｉ／Ｉｒを使用し、且つＸ及びＹ方向に跨いで圧電素子３００及び空間１２（キャビティ）の外側まで伸びるように設けられることで初期撓みを改善した実施例２及び実施例４のデバイス素子の構成は、超音波デバイスに好適であることが明らかとなった。

＜撓み形状と送受信特性の関係＞
図２４に、シミュレーションにより算出した撓み形状と送受信特性の関係について示す。図２４に示す通り、初期撓み量ｄが０ｎｍ〜＋２００ｎｍの範囲では、送受信感度に殆ど影響を及ぼさないのに対し、初期撓み量ｄが０ｎｍ未満では、その量に応じて送受信感度が低下することがわかった。即ち、実施例１及び同様の第２電極層８０の構成である実施例２と、比較例２及び同様の構成である比較例３との比較においては、初期撓みの差は考慮する必要がないことが明らかとなった。

また、実施例２と比較例３では初期撓み量を測定できなかったが、Ｐ−Ｅ ｌｏｏｐ測定において、実施例２と対応する実施例１は、比較例３と対応する比較例２に比べ残留分極量Ｐｒが１割向上していることを考慮すると、実施例２において送受信感度が１３％向上したのは、比較例３に比べ残留分極量Ｐｒが向上したためであるといえる。

加えて、比較例１のように、下層側電極８０ａでＰｔを使用し、上層側電極８０ｂを形成しなかった場合、表１に示す通り、初期撓み量ｄが−２１４ｎｍであるので、図２４より、初期撓みが送受信感度に悪影響を及ぼすと考えられる。

従って、下層側電極８０ａをＰｔとし、上層側電極８０ｂをＴｉ／Ｉｒとすることで、初期撓みが凹になることによる悪影響を回避できることが明らかとなった。

以上より、実施例１〜４の圧電素子３００によれば、下層側電極８０ａであるＰｔ層が圧電体層７０と接することで残留分極量が増加して強誘電性が向上した。更に、Ｘ及びＹ方向に跨いで圧電素子３００及び空間１２（キャビティ）の外側まで伸びるように設けられた上層側電極８０ｂであるＴｉ／Ｉｒ層のＩｒの引っ張り応力によって、振動板５０のＣＡＶ面側への初期撓みを抑制して変形効率を向上させることができた。その結果、実施例１〜４の圧電素子３００は、受信特性に優れた超音波デバイスとなることが明らかとなった。

（他の実施形態）
上記の実施形態では、振動板の圧電素子とは反対側が超音波の通過領域となる型（所謂ＣＡＶ面型）のレンズ構造を適用したが、かかる構造はこれに限定されない。例えば、振動板の圧電素子側が超音波の通過領域となる型（所謂ＡＣＴ面型）等のレンズ構造を、用途に応じて適用してもよい。

上記の本実施形態の他、本発明の圧電素子３００と、圧電素子３００により発信される超音波、及び圧電素子３００により受信される超音波の少なくとも一方に基づく信号を利用して検出対象を測定する制御手段とを具備することで超音波測定装置を構成することもできる。

このような超音波測定装置は、超音波を発信した時点から、その発信した超音波が測定対象物に反射されて戻ってくるエコー信号を受信する時点までの時間に基づいて、測定対象物の位置、形状及び速度等に関する情報を得るものであり、超音波を発生するための素子や、エコー信号を検知するための素子として、圧電素子３００が用いられることがある。このような超音波発生素子やエコー信号検知素子として、圧電定数の向上が図られた本発明の圧電素子３００が用いられれば、超音波発生効率やエコー信号検地効率が高められた超音波測定装置を提供できる。

上記の本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板５０の圧電素子３００とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板５０の圧電素子３００とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。

また、上記の本実施形態では省略したが、圧電素子３００を含む領域を封止する封止板を基板１０に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子３００を物理的に保護でき、また超音波センサー１の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子３００が薄膜として構成される場合には、その圧電素子３００を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。

上記の本実施形態では、空間１２は、圧電素子３００毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子３００に対応して空間１２を形成してもよい。例えば、スキャン方向に亘って並設される圧電素子３００の列に共通する空間１２を設けてもよく、又は全体に１つの空間１２としてもよい。なお、このような複数の圧電素子３００に対して共通する空間１２を設けた場合には、圧電素子３００の振動状態が異なるようになるが、振動板５０の基板１０とは反対側から、各圧電素子３００の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した空間１２を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。

ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図２５は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図であり、図２６は超音波プローブを示す側面図である。

図示するように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやり取りする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１から送信され、検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。

図２６に示すように、超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波センサー素子３１０（図２参照）がＸ方向及びＹ方向の二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１はプローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込まれることができる。なお、超音波センサー１は、超音波センサー素子３１０が、Ｘ方向及びＹ方向に二次元に配列されて構成される。

Ｉ…超音波プローブ、 １…超音波センサー、 ２…ＦＰＣ基板、 ３…ケーブル、 ４…中継基板、 ５…筐体、 ６…耐水性樹脂、 １０…基板、 １１…隔壁、 １２…空間、 １３…音響整合層、 ２０…レンズ部材、 ３２…圧電素子保持部、 ４０…包囲板、 ４０ａ…縁部、 ４０ｂ…面、 ４１…支持部材、 ５０…振動板、 ５０ａ…第１面、 ５０ｂ…第２面、 ５１…弾性膜、 ５２…絶縁体層、 ６０…第１電極層、 ７０…圧電体層、 ８０…第２電極層、 ８０ａ…下層側電極、 ８０ｂ…上層側電極、 ８１ａ，８２ａ…Ｐｔ層、 ８１ｂ，８２ｂ…Ｉｒ層、 １０１…超音波診断装置、 １０２…装置端末、 １０３…超音波プローブ、 １０３ａ…プローブ本体、 １０３ｂ…プローブヘッド、 １０４…ケーブル、 １０５…ディスプレイパネル、 １０６…筐体、 １１０，１４０…ウェハー、 ３００…圧電素子、 ３１０…超音波センサー素子、 ４００…評価機、 ４０１…超音波素子、 ４０２…ＳＵＳ板

Claims (2)

1. キャビティを有する基板と、
   前記キャビティの開口面を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、
   前記振動板の、前記キャビティとは反対側の面上に設けられ、第１電極と、前記第１電極上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層上に設けられた第２電極とを有する圧電素子と
   を備えた超音波センサー用の圧電デバイスであって、
   前記第２電極は、白金層と、イリジウム層とを含む積層構造を有しており、
   前記白金層は、前記圧電体層と接しており、
   前記基板の面と平行であり、且つ互いに直交する２つの方向をＸ方向及びＹ方向としたとき、前記イリジウム層は、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティを少なくともＸ方向に、前記キャビティの外側まで延設されており、
   前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、
   第２のイリジウム層が、ＸＹ平面視で、前記圧電素子及び前記キャビティをＹ方向に、前記キャビティの外側まで延設され、
   前記第２のイリジウム層は、前記圧電体層上において、前記イリジウム層と分離され、
   前記圧電体層上の両端部から前記Ｙ方向に前記キャビティの外側まで延設され、前記圧電体層の両端部と前記第２のイリジウム層との間には、前記白金層とは分離された第２の白金層が存在することを特徴とする超音波センサー用の圧電デバイス。
2. 前記圧電体層は、前記キャビティ内に存在し、
   前記白金層は、前記Ｘ方向において前記圧電体層上のみに存在することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー用の圧電デバイス。