JPS61224700A - 超音波トランスデユ−サの製造方法 - 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） 本発明け、ロボットや各種産業機器に装備し、比較的近
い距離にある対象物との間の距離を測定したり、あるい
は対象物の大きさ形状を認識したすするための超音波ト
ランスデユーサの製造方法を提供するものである。

（従来の技術） 近年安価で高性能なマイクロコンビエータが普及し、そ
れらを用いることにより様々な産業分野で自動化あるい
はロボット化が進められつつある。

しかし、現在実用化されているロボットあるいは自動機
器は、ある定まった形、定まった大きさ、あるいは定ま
った重さの物を持上げたり運んだり。

あるいは加工・組立等の作業を一定のプログラムにより
てしか行うことができないのが現状である。

一方消費者層の多様化により、多品種少量生産の傾向が
強くなり、Ｆ　Ｍ　Ｓ　（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　　Ｍａｎ
ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ８ｙｓｔｅｍ）と呼ばれる自動化
技術の開発が叫ばれている。このような自動化の流れに
於ては、人間の感覚器官に代る様々なセンサをロボット
あるいは自動機械に装備し、それらに判断機能をもたせ
る必要がある。ロボットがある対象物を持ち上げること
を考えた場合、まず視覚センサにより対象物をみつけ、
次に近接覚センサにより対象物に近づき、最後に触覚セ
ンサにより対象物の硬さ、対象物をつかんだ時の反発力
の情報を得る。これらのセンサの中で近接覚センサは、
視覚センサが補えない近距離の距離情報を得るもので空
中超音波が適していると考えられている。

従来、この種の空中超音波トランスデユーサとしてＰＺ
Ｔ等の圧電体の共振を利用したものや静電容量型のトラ
ンスデー−サが市販されている。

第２図は、カメラのオートフォーカスのための測距セン
サとして用いられている静電容量型の超音波トランスデ
ーサである。その構造は第２図に示すように表面に凹凸
のあるアルミニウム板２０２に片面が金蒸着された高分
子フィルム２０１をかぶせ、板バネ２０３で裏側からお
しつける。このトランスデユーサの駆動は、金蒸着高分
子フィルム２０１を接地し、アルミニウム板２０２に約
３００ｖ直流電圧を加え、かつ±１５０Ｖの交流信号を
入力する。その結果入力交流信号に応じて高分子フィル
ムがアルミニウム板にひきょせられ超音波が発信される
。一方超音波受信時には高分子フィルムが超音波により
４ｍ　！！’ｉ′ノシ、高分子フィルムとアルミニウム
板でつくれたコンデンサの容量が変化し電極に誘起され
た電荷の変化を検出することにより超音波を検出する。

以上の靜屯容−ｔｉ超音波トランスデー−サは必要な駆
動電圧が大きいという欠点はあるが、構造が簡単で周波
数特性もよく、すぐれたものである。

一方、シリコン集積化技術を用いた超音波トランスデユ
ーサの試作報告もある。＠３図は、１９８４年発行の日
本応用物理学会論文誌（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａ
ｌ　　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏ
ｌ　２３　、（１９８４）ｅＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ　２
３−１　、　ｐｐ　、　１３３〜１３５　）に大径らに
よって発表された集積化超音波センサの構造図である。

第３図に示すようζこ、シリコン基板３０６の表面に高
濃度ボロン拡散層３０１を形成し、シリコンの異方性エ
ツチング技術を用いて片側支持の梁を作り、梁上に白金
電極３０３、チタン酸鉛圧電膜３０４、アルミニウム電
囁３０５を蒸着、加工する。超音波トランスデユーサと
しての駆動は、白金及びアルミニウム電極の間に交流信
号を入力し、チタン酸鉛圧電膜に歪を与え、片側支持の
梁を共振させることにより行い、一方受信は超音波によ
り片′：１４１支持の梁を共振させ、圧電膜の両端にあ
られれた分極電圧を検知する方法である。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来技術の第一の例すなわち、静電容量型超音
波トランスデユーサは、構造が簡単である利点を有する
が、第二の例のように素子をアレイ化したり、シリコン
上に集積化しようとする場合、シリコン基板にフィルム
を均一に張りつける工夫を要し、また、駆動電圧が高く
なり、周辺乗積回路を高耐圧化する必要がある等欠点を
もつ。一方第２の従来例では素子のアレイ化あるいは集
積化にはすぐれた方法であるが、片１ｄｕ支持梁をＡ’
ｉｌｆ　！良く大量に作る必要があり、素子の歩留りが
悪くなるという欠点がある。

（問題点を解決するための手段） 本発明け、上記の従来の欠点を除去した超音波トランス
デユーサの製造方法を提供するものである。

本発明け、シリコン基板上に形成された電極上にスピン
塗布法により光学活性な高分子膜を形成する工程と更ｌ
こその表面に金属電極を設けた後、シリコン基板の裏面
からシリコンをエツチングし、ある定められた大きさの
孔を明け高分子膜を残しその後、高分子膜をポーリング
処理することにより圧電性を持たせることを特徴とした
超音波トランスデユーサの製造方法である。

（作用） 本発明の超音波トランスデー−サは、シリコン基板上に
スピン塗布法によって形成した光学活性な高分子膜のダ
イヤフラムをポーリング処理することにより圧電性をも
たせ、高分子圧′α膜の膜振動を利用した超音波トラン
スデー−サである。

（実施例） 以下本発明を実施例に基づいて説明下る。第１図（ｂ）
の模式断面図に示すように、（１００）面方位のシリコ
ン基板１０１に熱酸化膜１０２．１０６を厚さ約１００
０＾形成する。次にシリコン基板表面に金１０３を厚さ
２０００λ蒸着する。その後フフッ化ビニリデン（ＶＤ
Ｆ）と三フッ化エチレン（ＴｒＦＢ）の共重合体１０４
（５２モル係対４８モルチの比）をメチルエチルケトン
で１０φ程度に希釈し、スピン塗布法で約６μｍの厚さ
に塗布した。その後８０℃窒素　囲気中で約１時間乾燥
し、その表面に更に金１０５を厚さｚｏｏｏｉ蒸着した
。

次にシリコン基板裏面の酸化膜１０６を第１図（、）の
平面図に示すようにエツチングして開口部１０７を形成
し、約９０℃のヒドラジン液中でシリコンを異方性エツ
チングし酸化膜］０２を露出させる。その後裏面の酸化
膜１０６及び露出した酸化膜１０２をエツチングし、第
１図（ｃ）の断面構造を得る。

次にこのようにして得られた試料の１０３及び１０５の
金電極間に約６００Ｖの直流電圧を印加しポーリング処
理を施し、Ｖ　Ｄ　Ｆ　／　ＴｒＦＥ共重合フィルム１
０４に圧電性をもたせる。このポーリング処理はフィル
ムの耐圧があれば、更に大きな電圧の方が望ましい。

次に第２の実施例を説明する。本実施例は、第１の実施
例を更に進めて、各素子をアレイ化した場合である。製
造工程は第１の実施例と殆んど共通であるが、第４図に
示した金電極４０３をフォトエチングプ白セスを用いて
加工することが追加される。また最後の分極処理時は、
表面の金電極４０５と加工した各金電極４０３の間に約
６００Ｖの直流電圧を印加する必要があった。

以上のようにして製造された素子に１００１１３ｚ。

±１０ｖの正弦波を入力したところ、１ｍ離れた位置で
約１００　ｄＢの音圧（ＯｄＢ音圧は２Ｘ１．０４Ｐａ
を基準とする）が得られ実用に十分耐え得るものであっ
た。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の製造方法によると非常に
簡単な工程で能率の良い超音波トランスデユーサが得ら
れる。また静電容量型トランスデユーサの場合に比べて
負荷容量が大きく、低インピーダンスとなり、駆動電圧
が低いために使いやすいという利点がある。またアレイ
化もシリコンの片側支持梁を作るような複雑な工程を経
ることなく簡単に作ることができ歩留りが、−い。本実
施例で示した構造は直接圧電フィルムを張りつけること
によっても実現されるが、この場合は、フィルムをシリ
コン基板に接着剤やあるいは熱圧着等によって張りつけ
る必要があり、特に素子をアレイ化するような場合、各
素子での膜の張力を均一にすることは困難であり、本発
明による方法がすぐれている。才だシリコン基板を用い
ることにより、本超音波トランスデユーサを送波器とし
て用いた時には、同一基板上にパワーアンプ受彼器とし
て用いた時にはセンスアンプ等の周辺回路を内蔵するこ
とも可能である０ なお本実施例では、光学活性な高分子フィルムとしてＶ
ＤＦ／ＴｒＦＥ共重合体を用いたが、シアン化ビニリデ
ンと酢酸ビニルの共重合体やあるいは結晶化度の高い他
の光学活性な高分子材料でも良いことは言うまでもない
。

また素子設計の最適化により空中のみならず水中や固体
中への超音波トランスデー−サとして使うことも可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ｃ）は完成した素子の第１図は）のＡＢでの模
第４図は本発明の第２の実施例であり、第４図（ａ）は
完成素子の上面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＡＢ
での漢式断面図である。 図中１０１，３０６，４０１・・・シリコン１０２．１
０６，３０２，４０２・・・シリコン酸化膜１０３．１
０５，４０３，４０５・・・金電極１０４　、４０４−
　ＶＤ　ＦｌＴｒ　Ｆ　ＦＸ共重合フィルム３０３・・
白金電極 ３０５・・アルミニウム電極 ３０１・・・ボロン拡散したシリコン ３０４・・・チタン酸鉛層 ２０１・・・金蒸着高分子フィルム である。　１１．− 第　１　図 ＣＱ） 第　Ｚ　図 第３図 ＪＵｌ　小ロン］ツム１丈ｔＬ−ソリ」ノ第４図 ＣＱ） （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリコン半導体基板上に形成された電極上にスピン塗
   布法により光学活性な高分子膜を形成する工程と、更に
   その表面に金属電極を設けた後、シリコン基板の裏面か
   らシリコンをエッチングし、ある定められた大きさの孔
   を明け高分子膜を残し、その後高分子膜をポーリング処
   理することにより圧電性をもたせることを特徴とした超
   音波トランスデューサの製造方法。