JPH022931A - 超音波変換器 - Google Patents

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〕 本発明は超音波変換器に係り、特にレンズ部材としてサ
ファイアを、圧電体として酸化亜鉛（Ｚ　ｎ　Ｏ）薄膜
を用いた超音波変換器に関するものである。

〔従来の技術〕

超音波探傷、超音波顕微鏡に用いられるセンサは、従来
、サファイアまたは石英ガラス等で形成された音響レン
ズ上部に酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜を形成したものが用い
られている。この方法では、Ｚ　ｎ○薄膜をレンズ上部
の平坦部に形成するため作製が容易である反面、レンズ
内での減衰、レンズ界面での反射が有り、感度を低下さ
せるという問題がある。これに替わる方法として、成形
体より成るダンピング部材でレンズを形成し、レンズと
なる凹面内部に上記Ｚｎ０ｉｌ膜を形成する方法が特開
昭６０−９６９９６号に記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、レンズ形成の簡便さ、レンズ背面へ放
出される音波の除去に主眼が置かれており、超音波を発
生する圧電体の形成に関するプロセス上の問題について
は配慮がなされていない。

例えば、ｌ　ＯＯＭ　Ｈｚ以下の超音波を送受する超音
波変換器を圧電薄膜を用いて形成する場合、圧電薄膜中
での超音波の波長λに対して通常のλ／２駆動では圧電
薄膜の厚みが３０μｍ程度となる。

これはプロセス上多大な時間を要するという問題がある
他、さらに低周波用の変換器では圧電薄膜の特性が劣下
するという問題がある。また、圧電薄膜の電気音響変換
特性は、その結晶学的特性に大きく依存するため、レン
ズ部材と圧電体との結晶学的整合性も重要である。

本発明の目的は、上記のことを考慮し、１００ＭＨｚ以
下の超音波を送受する変換器でもプロセス上容易に形成
でき、しかも感度の高い超音波変換器を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、酸化亜鉛（Ｚ　ｎ　Ｏ）などからなる圧電
薄膜を、それよりも音響インピーダンスの大きい音響材
料（例えばサファイア）の一部に形成されたレンズ部内
に形成することにより達成される。

〔作用〕

薄膜として形成可能な酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧′准
体は、スパッタリング法などにより接着層に なし央形成できるという利点がある。この圧電薄膜を、
それよりも音響インピーダンスの大きい音響材料に電極
を界して形成すると、その共振モードは圧電薄膜中での
超音波の波長λに対してλ／４となる。従って１例えば
酸化亜鉛（Ｚ　ｎ　Ｏ）薄膜を用いて１００ＭＨ２用の
センサを形成する場合、通常のλ／２共振では３０μｍ
の厚さが必要であるのに対し、サファイアなど酸化亜鉛
（ＺｎＯ）より音響インピーダンスの大きい音響材料を
選択すれば膜厚は１５μｍでよい。これにより成膜に要
する時間を大幅に短縮できる。

【実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は本発明になる超音波変換器の平面図及び断面図
である。第１図に示すように１０＋＋＋＋ａφＸ１０ｍ
１のサファイアロッド１の片面には曲率１〜５ｍｍ、口
径１〜１０ＩＩＩＩ１１のレンズ部２が形成されている
。このレンズ形成面に、まずクロム・金よりなる下部電
極３を形成した。この金膜上に高周波マグネトロンスパ
ッタ法により膜厚約１５μｍの酸化亜鉛薄膜４を形成し
た。スパッタ条件は、高周波パワー５０〜１５０Ｗで、
基板温度２００〜３００℃アルゴン−酸素（５０％−５
０％）混合ガスのガス圧を１〜５Ｐａとした。この酸化
亜鉛薄膜上に水音でクロム・金を蒸着し、上部電極５を
形成した。尚、酸化亜鉛薄膜４及び上部電極５に形成さ
れているポンディングパッド６は上部電極よりワイヤボ
ンドによりリード線を引出すために設けられている。リ
ード線引出し後、音￥ＩＪ″Ｉｉ合層として１５μｍの
Ｓｉｏ２膜７を形成した。このＳｉＯ２層は同時に保護
膜として作用する。

この超音波変換器を用いて、水中での焦点位置に設置し
た反射体からのエコーを同一変換器で測定したところ、
第２図に示すような波形が得られた。受信エコーの周波
数はほぼｌｏＯＭＨｚとなっており、λ／４共振してい
ることが確認された。

従って、通常の形成法では膜厚３０μｍを必要とするの
に対し、本実施例の方法では半分の１５μで良い。

第２図中に現われている最後のエコーは、音響媒体のレ
ンズ対向面からのものである。このエコーが試料面から
のエコーと重ならないようにするため、音響媒体中の音
速をＶ工、長さＱ工、レンズから焦点までの超音波の伝
播時間をｔとするとＱ　１／　ｖ　１　）　ｔ を満たしている。この条件を満足することで、得たい焦
点面からのエコーを分離することが容易である。

また、サファイアは酸化亜鉛（Ｚ　ｎ　Ｏ）と結晶学的
マツチングが良く、結晶学的特性の優れた酸化亜鉛（Ｚ
ｎＯ）薄膜が形成が形成できるというメリットも有る。

以上の説明では、超音波周波数１００ＭＨｚの場合につ
いて述べたが、本発明者らは周波数５０゜２００．６０
０．１００１００Ｏでも同様の効果が得られることを確
認している。特に３００　Ｍ　Ｈｚ以下の周波数の場合
に膜厚が半分で良いというメノットは大きい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、サファイアなど
の音響インピーダンスの大きい材料で音響レンズを形成
し、その内部に超音波を送受する酸化亜鉛薄膜を形成し
ているので、薄膜の厚さを半分にすることができ、しか
もレンズ面での音波の反射による損失が無い高感度な超
音波変換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の超音波変換器の断面図
（ａ）及びレンズ部分の平面図、（ｂ）、第２図は第１
の実施例の超音波変換器を用いて励振した場合のエコー
波形を示す図である。 １・・サファイア基板、 ２・・・レンズ部、 ３・・・下部電極。 ４・・・酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜。 ５・・・上部電極。 ６・・・ポンディングパッド。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．音響材料の一部に音響凸面レンズが形成され、該レ
   ンズ内部の凹面に下部電極が形成され、該下部電極上に
   圧電薄膜が形成され、さらに該圧電薄膜上に上部電極が
   形成されている超音波変換器において、上記音響材料の
   音響インピーダンスを上記圧電薄膜の音響インピーダン
   スより大きくし、上記圧電薄膜の厚さが、使用する超音
   波周波数における圧電薄膜中での波長λに対し、ほぼλ
   ／４であることを特徴とする超音波変換器。
2. ２．上記圧電薄膜が酸化亜鉛（ＺｎＯ）であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波変換器。
3. ３．上記音響材料はサファイアよりなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の超音波変換器。
4. ４．上記下部または上記電極から、ワイヤボンディング
   によりリード線が引出されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第４項記載の超音波変換器。
5. ５．上記音響材料中の音速をｖ＿１，厚さをｌ＿１、レ
   ンズから焦点面までの超音波の伝播時間をｔとした時、 ｌ＿１／ｖ＿１＞ｔ を満足することを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第４項記載の超音波変換器。