JPH07121159B2

JPH07121159B2 - 超音波トランスジユ−サ

Info

Publication number: JPH07121159B2
Application number: JP60061332A
Authority: JP
Inventors: 健一郎鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPS61220596A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は超音波トランスジューサに関し、特に産業用ロ
ボットの近接覚の検出に利用することのできる高性能か
つ小型軽量の空中音波トランスジューサの構造に関する
ものである。

（従来技術とその問題点）従来、産業用ロボットの分野においては対象物体の距
離、大きさ、形状等の認識にCCD等の可視光を用いる固
体撮像センサが多く用いられてきた。しかし、可視光を
用いるセンサでは、対象物体が透明であるときやセンサ
と対象物体との間の媒体が塵等で汚れているとき等に用
いることができないという欠点がある。従って、近年、
可視光にかわって超音波を対象物体の認識に利用しよう
とする技術が登場した。超音波トランジューサにおいて
は、一つあるいは複数個のデバイスにより超音波の送波
および受波を行なうので、超音波の発振および受信を行
なう機械的要素とこれを助ける発振回路、受信回路等の
電気的要素をうまく組み合せて構成する必要がある。特
に、ある面を振動させて空気中に超音波を放射しようと
するとき、その面に対する空気の手ごたえ（音響インピ
ーダンス）は液体や固体に比べて非常に小さいので、大
きな強度をもつ超音波の放射が困難である。従って、先
に述べた機械的要素において効率よく超音波が放射され
るように設計することはもちろん電気的要素においても
増幅補償回路により小信号を補償して受信する等の工夫
が必要である。しかし、現在一般に用いられている超音
波トランスジューサは、この機械的要素と電気的要素が
一体とはならずに分離している。以下、従来例を図をあ
げて説明し、同時にその欠点について述べる。

第４図は従来の超音波トランスジューサの構成例の断面
を示す図である。図中47は、円形のアルミ合金の板で、
中央に数十〜数百μｍの深さをもつ溝101が形成されて
いる。この溝101の上面には、厚さ６〜20数μｍのポリ
エステルの膜48が金属ケース41とアルミ合金の板47によ
り挿まれて固定されている。ポリエステルの膜48の表面
は、アルミ合金の板47と接する面と反対の側の表面に金
箔等による電極49が蒸着されている。

図中の43は保護スクリーンで金属ケース41に固定されて
おり、ポリエステルの膜48が外部より破損されるのを防
いでいる。一方、アルミ合金の板47の裏面には、金属よ
りなる板バネ46が取りつけられており、アルミ合金の板
47を金属ケース41に押しつけている。また、板バネ46は
ブラスチックケース42に固定されている。44,45は電極
端子で、44は板バネ46と一体に構成されており、一方、
45は金属ケース41と一体に構成されている。従って電極
端子44の電位は、板バネ46を介してアルミ合金の板47と
等しく、一方、電極端子45の電位は、金属ケース41をて
電極49と等しい。これより電極端子44,45に電圧が印加
されるとき、この印加電圧と等しい電圧がアルミ合金の
板47と電極49の間に生じ、静電気力によりポリエステル
の膜48を撓ませる。従って、この電極端子44,45に印加
する電圧が交流で変化するとき、ポリエステルの膜48に
働く静電気力も交流で変化して、ポリエステルの膜48を
振動させ、この結果、超音波が前面に放射される。第５
図は、前記第４図で述べた静電型超音波トランスジュー
サの原理を示す図で、振動をおこす機会的要素51とこれ
以外の電気的要素52から構成されている。機械的要素51
は振動板51aと固定板51bから構成されており、例えば第
４図に示す構造をもつ。一方、電気的要素52は、超音波
の送波の場合にはバイアス電圧53、抵抗54、発振回路55
から構成される。今、発振回路55から信号が生じていな
いときには、振動板51aはバイアス電圧53により固定板5
1bに引かれ撓んでいる。続いて、発振回路55にバイアス
電圧53よりも小さい交流電圧が生じた場合には、発振回
路55の両端に生ずる電圧の極性により以下のように変化
する。すなわち発振回路55の両端に生ずる電圧の極性が
バイアス電圧53と同じときには、これら電圧の和に等し
い電位差が振動板51aと固定板51bに加わるために振動板
51aの撓みは大きくなる。一方、発信回路55の電圧の極
性がバイアス電圧53と逆の場合にはこれらの電圧の差に
等しい電位差が振動板51aと固定板51bに加わるために、
振動板51aの撓みは小さくなる。従って、発振回路55に
より発振回路の両端の電圧を周期的に変化させるとき、
振動板51aが振動し、超音波が前面に放射される。なお
抵抗54は、振動板51aと固定板51bの間で放電等が生じた
場合に、回路に大きな電流が流れないように回路を保護
する機能をもっている。以上超音波の送波の場合につい
て述べたが、受波の場合には、第５図の55を増幅補償等
を行なう受信回路とすれば良い。このとき、外部から侵
入した超音波により、振動板51aが振動して、振動幅51a
と固定板51bの間の容量が変化する。従って、受信回路5
5に交流電流が流れ、これを増幅補償してやることによ
り超音波の受信が可能となる。以上、例を用いて従来の
静電型超音波トランスジューサの説明を行なった。ここ
で示したように、超音波トランスジューサにおいて、機
械的要素と電気的要素の組み合せは必要不可避なもので
あり、従来例として第４図に示した超音波トランスジュ
ーサにおいても第４図の機械的要素に外付けの電気回路
を付帯して全体を構成していた。従って、従来の構造で
高性能のデバイスを実現しようとするとますますこの電
気的要素の占める領域が大きくなり、装置を大型なもの
にするという傾向があった。この傾向は、超音波トラン
スジューサアレイを実現しようとするときにますます問
題となった。

実際、アレイ化されたトランスジューサの電極を結ぶ配
線は、これだけでかなりの大きさとなることが知られて
いる。

一方、先に述べたように産業用ロボットの分野において
高性能かつ小型の超音波トランスジューサが必要とされ
ている。従って、超音波トランスジューサの電気的要素
をシリコンのICプロセス技術を利用して集積化し、これ
を振動を行なう機械的要素を一体に成形して小型軽量を
実現したデバイスが切に望まれていた。しかし、従来の
構造をもつ超音波トランスジューサにおいては、機械的
要素をシリコンのICプロセス技術と合致して製造するこ
とが不可能なため、デバイスの小型軽量化をはかること
ができないという欠点があった。

（発明の目的）本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去し高性能か
つ小型軽量の空調超音波トランスジューサを提供するこ
とにある。

（発明の構成）上記目的を達成するために、本発明は、高濃度のボロン
不純物を含む矩形のシリコン薄板の上面に酸化膜を設
け、矩形の圧電体薄膜の上面に上部電極を下面に下部電
極を設けたものを酸化膜の上面に設けて振動体を構成
し、シリコン基板上の周辺部に周辺回路を設け、振動体
の下面の少なくとも一辺をシリコン基板と連結し、しか
も、振動体の個々の面積がシリコン基板の中心から離れ
るにしたがって大きくなるか又は小さくなるように振動
体を二次元的に複数個設け、振動体の上部電極の一部と
周辺回路の上にポリイミド樹脂を設け、ポリイミド樹脂
に開けられたスルーホールを介して振動体の上部電極と
周辺回路を接続したものである。

（発明の作用原理）本発明の超音波トランスジューサは、シリコンのICプロ
セス技術に合致した製法と周辺回路の集積化を可能とし
たモノリシック超音波トランスジューサであり、第２図
に示すように剛性の小さいシリコン薄板と圧電薄膜によ
り主に構成された片持ち染等の形状を持つ振動体が、圧
電体薄膜の上下の電極に加えられた電位差の変化に従っ
て上下に可動し、超音波を送波するように工夫されてい
る。また、このデバイスを超音波の受波に用いる場合に
は、上記振動体が外部超音波により振動するとき圧電体
薄膜の上下の電極間の電位差が変化することを利用し
て、電気回路に流れる電流の変化として読み出すことが
できるようにいなっている。また、上記振動体をシリコ
ン基板上に作製することが可能なため、同時に発振回路
および受信回路をシリコンICプロセス技術を用いて集積
化することができ、従って高性能超音波トランスジュー
サを小型軽量に製造することが可能となった。また、振
動体の圧電体薄膜の上下の電極と集積回路との接続にポ
リイミド樹脂を塗布してこの上に配線をおくことによ
り、配線の切断を防ぐことができ、デバイス作製の歩留
りが著しく向上した。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図および第２図は、本発明の一実施例を示すもので
あり、それぞれ平面図および断面図に対応している。本
実施例の超音波の送波および受波を行なう振動体20は、
ボロンの不純物を高濃度（≧１×10²⁰cm^-3）に含むシリ
コン薄板２とZnO,AlN等の圧電体薄膜４とから主に構成
されており矩形のシリコン薄板２の一辺はシリコン基板
１と一体に連結して片持ち染の形状を形成している。こ
の振動体20は、シリコン基板１に彫られた溝12の中で上
下に振動して超音波の送受波を行なう。圧電体薄膜４の
主面の両側には上部電極５および下部電極６が配置され
ていて、振動体20が振動する際に異なる電位差が印加あ
るいは発生する。なお下部電極６とシリコン薄板２の間
には酸化膜３が挿入されており、電極６と薄漠２の間に
電流が漏れるのを防いでいる。下部電極６は、これも酸
化膜３の上におかれたアルミ配線21を介してシリコン基
板１に作製された駆動および受信のための集積回路８と
電気的に接続している。一方、上部電極５と集積回路８
を接続する際には、従来配線の径路に圧電体薄膜の厚さ
による段差が存在するためにアルミ配線が切断するとい
うことがしばしば生じた。この欠点を解決するために、
上記上部電極５の一部と集積回路８の上にポリイミド樹
脂７を塗布して、このポリイミド樹脂７に上部電極５に
つながるスルーホール11および集積回路につながるスル
ーホール10の開口を設けると共に、各スルーホール10お
よび11を導通させるアルミ配線９をポリイミド樹脂７の
上に作製する、という構成を用いた。この結果、アルミ
配線９の断線を完全に防ぐことができるようになった。
なお、本実施例で述べた発信回路および受信回路は、特
に限定されるものでなく、全ての周知の回路技術を本発
明に含むことは言うまでもない。

第３図は、本発明の実施例をもつ周波数トランスジュー
サを製造する手順の一例を示したものである。図におい
て、先に本発明の一実施例として示した第１図および第
２図と同一番号は同一構成要素を示している。同図
（ａ）は、（100）面をもつシリコン基板１の表裏に酸
化膜３をつけたものにフォトエッチング技術を用いて前
記第１図の振動体20と同じ形状の開口穴30を形成したも
のである。開口穴30を形成する際には、第１図の振動体
20の４辺の方向が（110）方向に向くように注意する必
要がある。この開口穴30を通して高濃度のボロンを拡散
し、後にシリコン薄板２となる領域を形成する（同図
（ｂ））。再び図の上面全体を酸化膜３で覆い、第１図
の溝12と同じ形状の開口穴31をフォトエッチング技術に
より形成する（同図（ｃ））。この試料をEDP（エチレ
ンジアミンピロカテコール）あるいはヒドラジン等の水
溶液に浸して、シリコンの異方性エッチングを行なう
（同図（ｄ））。EDP、ヒドラジン等の水溶液は、シリ
コンの（111）面に対するエッチング率に比べて（100）
面に対するエッチング率が著しく大きいという性質（異
方性）と共に、１×10²⁰cm^-3以上の高濃度ボロン不純物
を含むシリコンのエッチング率が著しく小さいという選
択性をもっている。従って、同図（ｃ）の試料を前記水
溶液に浸すことにより、同図（ｄ）に示すシリコン薄板
２および溝12を作製することができる。続いて、通常の
シリコンICプロセス技術を用いて、送受信用の周辺回路
８を形成し、この周辺回路８に第１の配線用のコンタク
ト穴32を開ける（同図（ｅ））。続いて下部電極６を蒸
着等により形成する（同図（ｆ））。下部電極は、酸化
膜３との接合を良くするために、Crの下地にAuを上にお
いたものが望ましいが、必ずしもこれに限定されること
なく、アルミ等の金属で代用しても良い。しかし、先の
コンタクト穴32を通して周辺回路８とオーミックに導通
していることは必要である。この後、ZnO,AlN等の圧電
材料をスパッタ等によりシリコン秋板２の上に堆積して
圧電体薄膜４を形成し、この上に上部電極５を形成する
（同図（ｇ））。圧電体薄膜４に通常の誘電分極処理を
施こし、集積回路８に第２の配線用コンタクト穴33を開
けた後、ポリイミド樹脂を用いて塗布→ベーク→エッチ
ングの工程を順次行なうことにより、同図（ｂ）に示す
７と、上部電極５と通ずるスルーホール11および前記第
２のコンタクト穴33に通ずるスルーホール10を作製す
る。

最後に、ポリイミド樹脂７の上にスルーホール10および
11を介して上部電極５と周辺回路８を電気的に接続させ
るアルミ配線９を形成する（同図（ｉ））。

第６図は本発明の他の実施例を示す断面図である。

図において、第１図および第２図と同一番号は同一構成
要素を示している。本発明の実施例は、高濃度ボロンが
エピタキシヤル成長により表面に形成された（100）の
面方位をもつシリコン基板を用いて、第１図および第２
図の構造を実現した点に特徴がある。このエピ基板を用
いると、周辺回路８および溝12が形成される領域の表面
ボロン層を除去する工程が新たに必要となる。これは硝
酸・フッ酸・酢酸等の混合液を用いて容易に実現するこ
とができる。

同図の61および62は、この工程により残ったボロン層を
示したものである。この後、第３図（ｃ）〜（ｉ）と同
じ工程を行ない、第６図に示す超音波トランスジューサ
を作製することができた。本発明は、先の第１図および
第２図に示す発明に比べて、第３図（ｂ）の工程が不要
であることおよびシリコン薄板の厚さを精度よく制御す
ることができるという長所をもっている。また、本発明
においては、下部電極６と周辺回路８の間にも段差が存
在することになったが、先と同様にこれら下部電極６と
周辺回路８の配線をスルーホールを介してポリイミド樹
脂７を介して接続することにより、断線の問題を克服す
ることができた（図示せず）。

第７図および第８図は本発明の他の実施例を示す平面図
である。

図において、第１図および第２図と同一番号は同一構成
要素を示している。これらの実施例において、破線で示
された複数の矩形70は、第１図および第２図に示す周辺
回路８を除く振動体要素を示している。また、当該振動
体要素70の上下面に形成された電極はアルミ配線を介し
て周辺回路８の一部を接続されている（図示せず）。第
７図および第８図の実施例に示すように当該振動体要素
70を複数個並べたときには、超音波を前面の小さな角度
に強く放射したり、前面の小さな角度のみの超音波を強
く受信したりすることができ、同図の雑音に惑らされる
ことが少なくなるという特長がある。また、単一の大き
な面積をもつ片持ち染構造と比較して、本実施例に示す
ように小さな複数個の片持ち染に分割するときには、基
本モード以外の高調波の信号を減少させることができる
という利点があり、これも同様に信号の雑音の減少に役
立つ。さらに、前記第３図（ｄ）の説明で述べたシリコ
ン異方性エッチングの技術を用いると、正確に形状の等
しい振動体要素70を同時に形成することができるため、
品質および製造に要する時間の点から少しも問題がない
という特長がある。ここに示した実施例の他にも中央の
振動体要素70の面積を大きくとり、周辺に行くに従っ
て、振動体要素70の面積を小さくした実施例もある（図
示せず）。この場合には、上記した指向性がさらに改善
され、雑音の少ない高品質のデバイスを提供することが
できるという利点がある。

第９図も本発明の他の実施例である。

図において、第７図と同一番号は同一構成要素を示して
いる。本発明の実施例においては、振動体要素70の上面
に形成された電極が各振動体要素70ごとに分離して配置
されており、それぞれアルミ配線を介して周辺回路８に
接続されていることに特徴がある。従って、本実施例の
構成をとる超音波トランスジューサにおいては、各振動
体要素70ごとに異なった強度および位相をもつ電圧を印
加することが可能となる。特に、各振動体要素70に異な
った位相をもつ電圧を印加することにより、超音波の送
波および受波の方向を変化させることができ、従って、
電気的に走査を行なう高性能な超音波トランスジューサ
を提供できるという特長がある。この実施例において
は、振動体要素70の上面の電極を各振動体要素70につい
て分離したがこの外に、各振動体要素70の上面の電極を
共通にして、各振動体要素70の下面の第二の電極（図示
せず）を各振動体要素70ごとに分離しても上と同様の効
果をもつデハイズを実現することができる。第９図にお
いては１行５列の超音波トランスジューサアレイを示し
たが、振動体要素70の個数について何ら制限される必要
はない。例えば、前記第８図の実施例において、振動体
要素70上面の電極を各振動体要素70ごとに分離して配置
し、それぞれの電極を周辺回路８に接続すると二次元の
方向に電気的に走査することのできる二次元超音波トラ
ンスジューサを実現することができる。また、本実施例
で述べた超音波トランスジューサアレイにおいては、各
振動体要素70の上面電極は通常のICプロセス技術を用い
て同時にかつ容易に形成することができるという点も従
来技術に比べて大きな長所である。

以上、発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。

先に述べた振動体では一辺のみが基板に連結した所謂片
持ち染の構造であったが、この外に周囲の全ての辺が固
定されたダイアフラム構造に対しても本発明が成立する
ことは言うまでもない。

なお、本発明の構成は、信号として使用する超音波が連
続的に変化するか、あるいは一乃至数個の波長のみでパ
ルス的に変化するか等に関係なく成り立つものである。
また、超音波の波長が単一かあるいは複数個等かにも関
係なく成り立つものである。また、本発明の実施例にお
いては、振動体の下の溝中に空気が閉じこめられていた
が、この構成の外に、溝の底に穴を開けて空気の流動を
可能とした構成もある。さらには溝穴の外側にスポンジ
等の音を吸収する物質を置く等の方法によりデバイスの
裏側の影響を少なくした構成、および振動体の前面にホ
ーンを配置して感度を高くした構成も本発明に含まれ
る。

なお、上記実施例において振動体の面積を大きくした
り、厚さを薄くしたりすることにより超音波の送波およ
び受波の感度を大きくすることができる。しかし、この
場合には、同時にデバイスの周波数特性等の変化が生ず
るので、超音波センサを設計する際には、以上の効果を
考慮して、感度および周波数特性等を最適にするように
振動体の寸法を決めなければならない。

（発明の効果）以上説明したとおり、本発明によれば、高性能かつ小型
軽量の空中用集積化超音波トランスジューサを供給する
ことが可能となった。特に、ポリイミド樹脂を介して振
動体と集積回路の配線を行なうことにより、従来しばし
ば生じた配線の断線が著しく減少し、製品の信頼性が増
大した効果は大きい。その結果、産業用ロボット等の分
野で近接覚等の検出に高性能な超音波トランスジューサ
を利用することができるようになった。また、本発明の
超音波トランスジューサは従来のシリコンICプロセス技
術と合致した製法で大量に製造することができるため、
製造コストを低減することができる。これらの効果は著
しいものであり、本発明は有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の一実施例の平面
図および断面図、第３図は本発明の実施例を製造する方
法の一実施例を示す概念図、第４図は従来の超音波トラ
ンスジューサの断面図、第５図は従来の静電型トランス
ジューサの原理図、第６図は本発明の他の実施例の断面
図、第７図および第８図は本発明の他の実施例を上から
見た図、第９図は本発明による超音波トランスジューサ
アレイの一実施例を上から見た図を示したものである。１……シリコン基板、２……シリコン薄板、３……酸化
膜、４……圧電体薄膜、５……上部電極、６……下部電
極、７……ポリイミド樹脂、８……周辺回路、9,21…ア
ルミ配線、10,11……スルーホール、12……溝、20……
振動体、30,31……開口穴、32,33……コンタクト穴、41
……金属ケース、42……プラスチックケース、43……保
護スクリーン、44,45……電極端子、46……板バネ、47
……アルミ合金の板、48……ポリエステルの膜、49……
電極、51……機械的要素、51a……振動板、51b……固定
板、52……電気的要素、53……バイアス電圧、54……抵
抗、55……発信および受信回路、61,62……高濃度ボロ
ン層、70……振動体要素。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高濃度のボロン不純物を含む矩形のシリコ
ン薄板の上面に酸化膜を設け、矩形の圧電体薄膜の上面
に上部電極を下面に下部電極を設けたものを酸化膜の上
面に設けて振動体を構成し、シリコン基板上の周辺部に
周辺回路を設け、振動体の下面の少なくとも一辺をシリ
コン基板と連結し、しかも、振動体の個々の面積がシリ
コン基板の中心から離れるにしたがって大きくなるか又
は小さくなるように振動体を二次元的に複数個設け、振
動体の上部電極の一部と周辺回路の上にポリイミド樹脂
を設け、ポリイミド樹脂に開けられたスルーホールを介
して振動体の上部電極と周辺回路を接続してなることを
特徴とする超音波トランスジューサ。