JPH0577240B2

JPH0577240B2 -

Info

Publication number: JPH0577240B2
Application number: JP7024387A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Suzuki
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1993-10-26
Also published as: JPS63237700A

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ユーサに関するもの
であり、例えば産業用ロボツトの近接覚の検出や
自動車のバツクセンサ等に利用することのできる
高性能かつ小型軽量の静電型超音波トランスジユ
ーサの構造に関するものである。

（従来の技術）従来、産業用ロボツ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。従つて、近年、可視光
にかわつ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。超音波トランスジユーサ
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
の発信および受信を行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
み合わ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。従つて、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
ランスジユーサは、この機械的要素の特性のデバ
イス間ばらつきがかなり大きく、必らずしも最適
に設計されているとは言えなかつた。さらに、機
械的要素と電気的要素とが一体の構造にされてい
ないため、装置の小型計量化が困難であるという
欠点を有していた。以下、従来例を図にあげて説
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ユーサの構成
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、表面に数〜数十μｍの深さを持
つ複数個の穴１０１が機械加工により形成されて
いる。この穴１０１の上面には、厚さ約12μｍ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により狭まれて固定されている。ア
ルミ合金の板４７の表面とポリエステルの膜４８
の下面とは点接触しているだけである。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４
９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はプラスチツクケース４２
に固定されている。４４，４５は電極端子で、４
４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。
従つて、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を介して電極４
９と等しいことになる。

第５図は、前記第４図で述べた静電型超音波ト
ランスジユーサの原理を示す図で、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よりも振幅の小さい交流電圧を印加
した場合には、発振回路５５の両端の電圧の極性
により以下のように変化する。すなわち、発振回
路５５の両端に印加された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５１ａの撓みは小さくなる。従つて、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、起音波
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
護する機能をもつている。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。従つて、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。

（発明が解決しようとする問題点）以上、例を用いて従来の静電型超音波トランス
ジユーサの説明を行つた。この中で、第４図に示
す穴１０１を加工する際に、従来の機械加工によ
る方法では穴の寸法や形状に若干のばらつきを避
けることができなかつた。この穴１０１は、第５
図に示す振動板５１ａと固定板５１ｂの間の間〓
に対応するもので、その寸法や外形がばらつくと
きには、振動板５１を駆動する力がばらつき、結
局、超音波の送受波諸特性が一定にならないとい
う欠点があつた。

また、ポリエステルの膜４８（第４図）の厚さ
を薄くするとき、膜中に微小な穴が製造上発生す
るため、高いバイアス電圧５３（第５図）によ
り、電極４９とアルミ合金の板４７との間に放電
が生じて、デバイスの特性が劣化するということ
がしばしば起こつた。このため、ポリエステルの
膜４８の厚さが制限され、設計の自由度が制約さ
れるという困難があつた。

さらに、先に述べたように、超音波トランスジ
ユーサにおいて、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、従来の構造を用
いて、さらに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、装置が大型なものになるという傾向が
あつた。実際、アレイ化されたトランスジユーサ
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。このように、従来の
技術では、さらに高性能のデバイスを作製して
も、デバイスの小型軽量化をはかることができな
いという欠点があつた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を除去
し、特性が均一でしかも、高感度、小型軽量の超
音波トランスジユーサを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明によれば、一方の面に第一の電極を有す
る有機体薄膜と表面に穴を有する半導体基板の表
面上に設けられた第二の電極とを備えた超音波ト
ランスジユーサにおいて、当該第一の電極と当該
第二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表面に固
着するように設けたことを特徴とする超音波トラ
ンスジユーサ、および、一方の面に第一の電極を
有する有機体薄膜と表面に穴を有する半導体基板
の表面上に設けられた第二の電極とを備えた超音
波トランスジユーサにおいて、当該第一の電極と
当該第二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表面
に固着するように設けた超音波トランスジユーサ
を複数個アレイ状に配置し、個々の超音波トラン
スジユーサの前記第一及び第二の電極側少なくと
も一方の側の電極に互いに独立の電気信号が入出
力できるようにしたことを特徴とする超音波トラ
ンスジユーサが得られる。

（作用）本発明の超音波トランスジユーサは、シリコン
等の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静電型超音波トランスジユ
ーサであり、第２図に示すように弾性振動体であ
る有機体薄膜１０が、シリコン基板１上に設けら
れたCVDSiO₂膜３の上下の電極に加えられた電
位差の変化に従つて上下に可動することにより、
超音波が送波される。一方、このデバイスを超音
波の受波に用いる場合には、外部超音波の圧力に
より上記有機体薄膜１０が振動し、この結果、上
記CVDSiO₂膜３の上下の電極間の静電容量が変
化することを利用して、外部超音波の圧力を（バ
イアス電圧が印加された）電気回路に流れる電流
値の変化として検出することが可能である。この
際、トランスジユーサの送受波特性の感度を大き
くするために、有機体薄膜１０に蒸着された上部
電極４９とシリコン基板１上に設けられた下部電
極６との距離を小さくすることが必要となる。本
発明では、第２図に例として示すように、下部電
極６の表面にうすい絶縁膜を酸化、CVD、スパ
ツタ、塗布などで固着させることにより、上部電
極４９と下部電極６との絶縁を良好に保ちつつ、
両者の距離を減少させることを可能とした。ま
た、本発明の超音波トランスジユーサは、半導体
基板を用いるため、(1)半導体の微細エツチング加
工技術を用いて半導体基板上に精度良く穴を開け
ることができ、製造プロセスから生ずるデバイス
特性のばらつきを抑えることが可能、(2)発振回路
および受信回路を半導体ICプロセス技術を用い
て集積化することができ、従つて高性能超音波ト
ランスジユーサを小型軽量に製造することが可能
となつた。

（実施例）以下、実施例として超音波トランスジユーサの
一種である静電型空中超音波トランスジユーサに
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
を行うポリエステル膜等の有機体薄膜１０の下面
には、金、アルミ等の上部電極４９が蒸着されて
いる。この有機体薄膜１０は、シリコン基板１に
開けられた未貫通のエツチング穴１２の上で上下
に振動して超音波の送受波を行う。当該有機体薄
膜１０の下面に設けられたCVDSiO₂膜３の両側
には、上部電極４９および下部電極６が配置され
ていて、送波のときは交流電圧を印加して有機体
薄膜１０を振動させる。受波のときは有機体薄膜
１０が振動することによつて電圧が発生する。当
該シリコン基板１の一方の主面には、第２図に示
すように当該下部電極６と当該上部電極４９との
間にCVDSiO₂膜３が設けられている。これは、
上部電極４９と下部電極６との間の電気的絶縁を
保つのに役立つ。さらに、当該CVDSiO₂膜３の
厚さを1μｍ程度としたとき、上部電極４９と下
部電極６との空間的距離も1μｍ程度となり、従
来、第４図に示すように両者の電極４９および４
７との間の距離がポリエステルの膜４８の厚さ
（約12μｍ）程度であつたのに比べて、大幅に電
極間の距離を減少させることができるという利点
がある。上部電極４９に働く静電的な力は、二つ
の電極４９および６との間の距離の二乗にほぼ反
比例するため、本発明による構成により、電極間
の距離を減少させることができ、この結果、デバ
イスの送受波特性の感度を大きくすることができ
る。なお下部電極６とシリコン基板１の間にも
SiO₂膜２０が挿入されており、下部電極６とシ
リコン基板１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CVDSiO₂膜３の上に
おかれたアルミ配線（図示せず）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。また、前記エ
ツチング穴１２は、寸法および形状を精度良く仕
上げるために、例えばシリコンの異方性エツチン
グ技術を応用して作製する。これは、例えば、主
面を（100）方向に持つシリコン基板１の一方の
面に、一辺が＜110＞方向に目合せされた複数個
の正方形のSiO₂膜のパターンをフオトリソグラ
フイ技術を用いて形成した後、試料をヒドラジン
等の異方性エツチング液中に浸して行う。この場
合には、ピラミツド型の四角錐の形状をしたエツ
チング穴１２ができた段階で、シリコンのエツチ
ングが自動的に停止するという特長がある。ま
た、先に述べたように、フオトリソグラフイ技術
を用いてエツチング穴１２の形状を作製するため
に、微細な形状を高い精度で形成することができ
ること、さらに、試料を液中に浸してエツチング
を行うので、一度に多量の試料を処理することが
できるという利点がある。

第３図は、本発明の実施例をもつ超音波トラン
スジユ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を酸化炉に入れてその表裏にSiO₂
膜２０をつけたものにフオトリソグラフイ技術を
用いて前記第１図のエツチング穴１２と同じ形状
の一辺が数10μｍの長さの正方形の開口３０を形
成したものである。開口３０を形成する際には、
第１図のエツチング穴１２の辺が＜110＞方向に
向くように配置する必要がある。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
方性エツチングを行う（同図ｂ）。EDP、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）面に対するエツ
チング率が著しく大きいという性質（異方性）を
もつている。従つて、同図ａの試料を前記水溶液
に浸すことにより、同図ｂに示すエツチング穴１
２を作製することができる。続いて、エツチング
穴１２にSiO₂膜２０をつけるために試料を再び
酸化炉に入れ、その後、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
する（同図ｃ）。続いて下部電極６およびこれと
集積回路８とを接続する配線（図示せず）となる
アルミ薄膜を蒸着等によりSiO₂膜２０の上に形
成した後、試料をCVD炉に入れCVDSiO₂膜３を
形成する（同図ｄ）。下部電極は、SiO₂膜２０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。この後、上部電極４９を蒸着した有機体薄膜
１０をCVDSiO₂膜３に接着した後、デバイスを
パツケージに実装する（同図ｅ）。

第１図および第２図に示した本発明の一実施例
では、上部電極４９がCVDSiO₂膜３に直接接触
した構成が示されている。一方、この上部電極４
９と有機体薄膜１０との位置関係を逆転させ、従
来例の第４図と同様にした構成も本発明に含まれ
る。この場合、先の本実施例に比べて感度が低く
なるという欠点があるが、有機体薄膜１０と下部
電極６との間に設けたCVDSiO₂膜３により、上
部電極４９と下部電極６との電気的絶縁が充分に
補償されるため、デバイスの信頼性が向上するこ
と及び有機体薄膜１０の厚さをさらに薄くできる
ので感度を高くすることができる。また有機体薄
膜の厚さを厚くも薄くもできることから設計の自
由度が増大するという利点が生ずる。

第６図および第７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、破線で示された矩形７０
は、第１図および第２図に示す同一下部電極上に
含まれる要素を示している。ただし集積回路８は
含まれない。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６図
および第７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、
周囲の雑音に惑わされることが少なくなるという
特徴がある。また、先に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、周辺に行くに従つて振動体要素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８図は、本願第２の発明の実施例の平面図を
示したものである。図において、第６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に形成された下部電
極６が互い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。従つて、本実施例の構成をと
る超音波トランスジユーサにおいては、各振動体
要素７０ごとに異なつ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に異なつ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、従つて、電気的に走査を行う
高性能な超音波トランスジユーサを提供できると
いう特徴がある。この実施例においては、振動体
要素７０の下面の電極を各振動体要素７０につい
て分離したが、逆に、各振動体要素７０の下面の
電極を共通にして、各振動体要素７０の上面の電
極４９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８図においては１行５列の超音波トランス
ジユ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する必要はない。例えば前記
第７図の実施例において、振動体要素７０上下面
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ユ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ユ
ーサアレイにおいては、各振動体要素７０の下面
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。

なお下部電極あるいは上部電極が分離された実
施例において、一つの振動体要素７０は第１図、
第２図に示したような複数のエツチング穴を持つ
ものとして説明したがこれに限らず第１図、第２
図中のエツチング穴一個が一つの振動体要素に対
応するものと考えてもよい。

以上、本発明について例を挙げ詳細な説明を行
つた。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、あるいは一及至
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
動体の下の穴中に空気が閉じこめられていたが、
この構成の他に、穴の底に開口穴を開けて空気の
流動を可能とした構成もある。さらには、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に寄与する有機
体薄膜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。さらに、有機体薄膜と
下部電極との間のCVDSiO₂膜３を薄くすること
によつても感度を増大させることが可能である。
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
周波数特性や電気音響変換効率等を最適にするよ
うに振動体及びCVDSiO₂膜３の寸法を決めなけ
ればならない。

なお前記実施例では絶縁膜として第２図に示す
CVDSiO₂膜３を用いたが、これに限らず、
Si₃N₄、SiO_xN_y、ポリイミドなど下部電極６表面
にCVD、スパツタ、塗布などの方法で薄膜状に
固着できるものならば使うことができる。

（発明の効果）以上説明したとおり、本発明によれば特性のば
らつきが少なく高感度、かつ小型軽量の集積化超
音波トランスジユーサを供給することが可能とな
つた。その結果、産業用ロボツト等の分野で近接
覚等の検出に高性能な超音波トランスジユーサを
利用することができるようになつた。また、本発
明の超音波トランスジユーサは従来の半導体IC
製造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図はそれぞれ本願第１の発明
の一実施例の平面図および断面図、第３図ａ〜ｅ
は本願第１の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
スジユーサの断面図、第５図は従来の静電型トラ
ンスジユーサの原理図、第６図および第７図は本
願第１の発明の他の実施例を示す平面図、第８図
は本願第２の発明による超音波トランスジユーサ
アレイの一実施例を示す平面図。１……シリコン基板、３……CVDSiO₂膜、６
……下部電極、８……集積回路、１０……有機体
薄膜、１２……エツチング穴、２０……SiO₂膜、
３０……開口、４１……金属ケース、４２……プ
ラスチツクケース、４３……保護スクリーン、４
４，４５……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……上部電極、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、５
５……発信および受信回路、７０……振動体要
素。

Claims

【特許請求の範囲】１一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜と
表面に穴を有する半導体基板の表面上に設けられ
た第二の電極とを備えた超音波トランスジユーサ
において、当該第一の電極と当該第二の電極との
間に絶縁膜を第二の電極表面に固着するように設
けるとともに、第二の電極と該半導体基板の間が
絶縁膜によつて電気的に絶縁され、半導体基板表
面上に設けられた当該穴の少なくとも側面を含む
領域に第二の電極を設けたことを特徴とする超音
波トランスジユーサ。２前記特許請求の範囲１に記載された超音波ト
ランスジユーサにおいて、前記第一の電極を前記
酸化膜に直接接するように配置したことを特徴と
する超音波トランスジユーサ。３一方の面に第一の電極を有する有機体薄膜と
表面に穴を有する半導体基板の表面上に設けられ
た第二の電極とを備え、当該第一の電極と当該第
二の電極との間に絶縁膜を第二の電極表面に固着
するように設けるとともに、第二の電極と半導体
基板の間が絶縁膜によつて電気的に絶縁され、半
導体基板表面上に設けられた当該穴の少なくとも
側面を含む領域に第二の電極を設けた超音波トラ
ンスジユーサを複数個アレイ状に配置し、個々の
超音波トランスジユーサの前記第一及び第二の電
極側少なくとも一方の側の電極に互いに独立の電
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ユーサ。