JPS61220597A

JPS61220597A - 超音波トランスジユ−サ

Info

Publication number: JPS61220597A
Application number: JP6133385A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki; 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: 1986-09-30
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPH07121160B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
つ小型軽量の空中超音波］・ランスジー−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
用いるセン日ノーでは、対μ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
に用いることかでとする技術が登場した。超音波トラン
ス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才く組み合せて構成
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
常に小さく、１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ならすに
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μ
ｍ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δと面に、金箔等による電極４９が蒸着され
ている。図中の４３は保護スクリーン金属ケース４１に
固定さ旧７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、金属よりなる板ノ′マネ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はプラスチックケース４２
にし１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
ブース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４
１を介して電極４９と等しい。これより、電極端子４４
，４ｉこ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
閲で、振動をおこす機械的要素５１とこれ以外の電気的
要素５２から構成されている。

機械的安＊５】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５１ｂ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
の極性がバイアス雷１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５１
ｂに加わるために、振動板５１ａの撓みは大きくなる。

一方、発振回路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５１．
　ａの撓みは小さくなる。従って、発振回路５’５１こ
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、却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、振動板５１ａと固定板５１ｂの間の容量が変
化する。従って、受信回路５５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波が可能とな
る。以上、例を用いて従来の静電型超音波トランスジー
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、これと振動を
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
デバイスが切に望才れていた。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
かつ小型軽量の空中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）本発明によれば、圧電体より成る薄膜と、該薄膜の両側
の主面に形成した第一および第二の電極と、該第二の電
極を挿んで当該薄膜と連結する矩形のシリコン薄板とを
備え、当該シリコン薄膜の相対する一組の二辺のみがシ
リコン基板と連結していることを特徴とする超音波トラ
ンスジューサおよび圧電体より成る薄膜と、該薄膜の両
側の主面に形成した第一および第二の電極と、該第二の
電極を挿んで当該薄膜と連結する矩形のシリコン薄板と
を備え、当該シリコン薄板の相対する一組の二辺のみが
シリコン基板と連結している超音波トランスジューサに
おいて、複数個の該超音波トランスジューサをアレイ状
に配置し、個々の超音波トランスジューサの前記第一お
よび第二の電極の少なくとも一つの電極に異なる電気信
号が入出力できるようにしたことを特徴とする超音波ト
ランスジューサが得られる。

（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体薄膜
により主に構成されたブリッジ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。才た、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ｌ変化として読１み出すこ
とができるようになっている。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、同時に発儒回
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アルミ配線をおく
ことにより、アルミ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
、ポロンの不純物を高濃度（≧Ｉ　Ｘ　１０”６ｃｍ−
３）に含むシリコン薄板２とＺｎＯ。

ＡｌＮ等の圧電体薄ｉ１１．！　４とから主に構成され
ており、φ形のシリコン薄板２の相対する二辺はシリコ
ン・■板１と一体に連結してブリッジの形状を形成して
いる。この振動体２０は、シリコン基板１に彫られた′
１Ｉ４１２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と薄板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
経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′！６よび１１を導通させ
るアルミ配線９をポリイミド、（１′・１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。また、本発明のブリッジ構造
の超音波トランスジューサは、−辺のみが固定されてい
る片持ち歯構造に比べて耐久性に優れ、長期間の使用に
耐えることができる。一方、四辺が固定されているダイ
アフラム構造に比べて振幅を犬をくとることができ、効
率の面で優れているという長所を有している。

第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トランスジュー
サを製造する手順の一例を示したものである。ｌ！２７
１４こおいて、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、（１１０）面をもつシリコン基板１の
表裏に酸化膜３をつけたモノニ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の固定辺とこれを支持する溝１２の
側壁（１１１）面が垂直方向に向くように配置する必要
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（図示せず）をフォトエツチ
ング技術により形成する（同図（Ｃ））。この試料をＥ
ＤＰ　（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ツチ
ングを行なう（同図（ｄ））。ＦＤＰ、ヒドラジン等の
水溶液は、シリコンの（１１１）面に対するエツチング
率に比べて（１００）而に対するエツチング率が著しく
太きいという性質（異方性）と共に、Ｉ　Ｘ　１０”ｍ
−”以上の高濃度ボロン不純物を含むシリコンのエツチ
ング率が著しく小さいという選択性をもづている。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】２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、送受信用の集積回路８を形成し、この集
積回路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久
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、必らずしも
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を通して集積回
路８とオーミック導通していることは必要である。この
後、ＺｎＯ。

Ａ／Ｎ等の圧電材料をスパッタ等番こよりシリコン薄板
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
の誘電分極処理を癩こし、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−エツチングの工程を順次行なうことにより
、同図（ｈ）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
と集積回路８を電気的に接続さぜるアルミ配線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回である。図に
おいて、第１図および第２Ｍ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
タキシャル成長により表面に形成された（１１０）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。このエビ基板を用い
ると、集積回路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）〜（１）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る。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
を粘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と集積回路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と集積回路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」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
に示す集積回路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の一部と接続されている（図
示せず）。第７図および第８図の実７／１ａ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ブリッ
ジ構造と比較して、本実施例に示すように小さな複数個
のブリッジ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の異方性エツチン
グの技術を用いると、正確に形状の等しい感動体要素７
０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も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オ）成要索を示している。本発明の
実施例に８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に接続さ力、
ていることに峙敷がある。従って、本％ｍ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７
０ご七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
的に走糞を行なう高性能な超音波トランスジューサを提
供できる々いう特徴がある。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
分解したが、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
様の効果をもつデバイス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
Ｉ″１．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、本発明について例を挙げ詳細な説明を行なった。

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−及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　ｒｉＱ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シた構成も本発明
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０）空中用集積化超音波トランすジー一サを供給す
ることが可能となった。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１￥′ＩＩ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
例を示す平面図、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示す平面図。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・・・集積回路、９．２１　　・アルミ配線、　１．
０．１１　　スルーホール、１２・溝、　　　　　　２
０　　・振動体、３０・・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、４
９・・・電極、５１・・・機誠的袈素、　　５１ａ・振
動板、５］、ｂ　　・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。二゛−（代理人弁理士　内　原　　晋　、０“ 第３図マρ （ｌＺ）（ｂ）（Ｃ）Ｕ）（ヂ）第３図 −Ｍビジｎ’ｎン／ど（）゛）第６図岩７図もβ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）圧電体より成る薄膜と、該薄膜の両側の主面に形
成した第一および第二の電極と、該第二の電極を挿んで
当該薄膜と連結する矩形のシリコン薄板とを備え、当該
シリコン薄板の相対する一組の二辺のみがシリコン基板
と連結していることを特徴とする超音波トランスジュー
サ。
（２）圧電体より成る薄膜と、該薄膜の両側の主面に形
成した第一および第二の電極と、該第二の電極を挿んで
当該薄膜と連結する矩形のシリコン薄板とを備え、当該
シリコン薄板の相対する一組の二辺のみがシリコン基板
と連結している超音波トランスジューサを複数個アレイ
状に配置し、個々の超音波トランスジューサの前記第一
および第二の電極の少なくとも一つの電極に異なる電気
信号が入出力できるようにしたことを特徴とする超音波
トランスジューサ。