JPH0547160B2 - - Google Patents
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- JPH0547160B2 JPH0547160B2 JP62070242A JP7024287A JPH0547160B2 JP H0547160 B2 JPH0547160 B2 JP H0547160B2 JP 62070242 A JP62070242 A JP 62070242A JP 7024287 A JP7024287 A JP 7024287A JP H0547160 B2 JPH0547160 B2 JP H0547160B2
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- electrode
- film
- ultrasonic transducer
- ultrasonic
- semiconductor substrate
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- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an ultrasonic transducer, which is a high-performance transducer that can be used, for example, in proximity detection of industrial robots, back sensor of automobiles, etc. This invention relates to the structure of a small and lightweight electrostatic ultrasonic transducer.
(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
体の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を認識に利用しよう
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、装置の小型軽量化が困難であるという
欠点も有していた。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。(Prior Art) Conventionally, in the field of industrial robots, solid-state image sensors such as CCDs that use visible light have been widely used to recognize the distance, size, shape, etc. of a target object. However, sensors that use visible light have the disadvantage that they cannot be used when the target object is transparent or when the medium between the sensor and the target object is dirty with dust or the like. Therefore, in recent years, a technology has appeared that attempts to use ultrasonic waves instead of visible light to recognize target objects. In an ultrasonic transducer, ultrasonic waves are transmitted and received by one or more devices, so there are mechanical elements that transmit and receive ultrasonic waves, as well as oscillation circuits, receiving circuits, etc. that assist in this process. It is necessary to combine electrical elements appropriately. In particular, when trying to emit ultrasonic waves into the air by vibrating a certain surface, the response (acoustic impedance) of the air to that surface is very small compared to liquids or solids, so ultrasonic waves with high intensity are emitted. is difficult. Therefore, in addition to designing the mechanical elements mentioned above so that ultrasonic waves are emitted efficiently, it is also necessary to devise measures such as using an amplification compensation circuit to compensate for small signals and receive them in the electrical elements. be. However, in the ultrasonic transducers currently in general use, the characteristics of these mechanical elements vary considerably between devices, and it cannot be said that they are necessarily optimally designed. Furthermore, since the mechanical and electrical elements are not integrated, it is difficult to reduce the size and weight of the device. Hereinafter, a conventional example will be explained with reference to figures, and at the same time, its drawbacks will be discussed.
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+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。 FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a configuration example of a conventional ultrasonic transducer. In the figure, 47 is a circular aluminum alloy plate, and a plurality of holes 101 having a depth of several to several + micrometers are formed on the surface by machining. On the upper surface of this hole 101, a polyester film 48 having a thickness of about 12 μm is fixed between a metal case 41 and an aluminum alloy plate 47. Surface of aluminum alloy plate 47 and polyester film 48
There is only point contact with the bottom surface of the . The surface of the polyester film 48 has an electrode 4 made of gold foil or the like on the surface opposite to the surface in contact with the aluminum alloy plate 47.
9 is deposited. A protective screen 43 in the figure is fixed to the metal case 41 to prevent the polyester film 48 from being damaged from the outside. On the other hand, a plate spring 46 made of metal is attached to the back surface of the aluminum alloy plate 47, and presses the aluminum alloy plate 47 against the metal case 41. Further, the leaf spring 46 is attached to the plastic case 42.
Fixed. 44 and 45 are electrode terminals;
4 is constructed integrally with a leaf spring 46, and on the other hand,
45 is constructed integrally with the metal case 41.
Therefore, the potential of the electrode terminal 44 is equal to that of the aluminum alloy plate 47 via the plate spring 46, while the potential of the electrode terminal 45 is equal to that of the electrode 4 via the metal case 41.
It will be equal to 9.
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、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51
b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。 FIG. 5 is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG. The mechanical element 51 is a diaphragm 51a
and a fixed plate 51b, for example, a fourth
It has the structure shown in the figure. On the other hand, the electrical element 52 is
In the case of ultrasonic wave transmission, it is composed of a bias voltage 53, a resistor 54, and an oscillation circuit 55. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a is pulled by the fixed plate 51b by the bias voltage 53 and is bent. Subsequently, when an AC voltage having a smaller amplitude than the bias voltage 53 is applied to the oscillation circuit 55, the polarity of the voltage across the oscillation circuit 55 changes as follows. That is, when the polarity of the voltage applied to both ends of the oscillation circuit 55 is the same as the bias voltage 53, a potential difference equal to the sum of these voltages is applied to the diaphragm 51a and the fixed plate 51b, so that the flexure of the diaphragm 51a increases. on the other hand,
When the polarity of the voltage of the oscillation circuit 55 is opposite to the bias voltage 53, a potential difference equal to the difference between these voltages is applied to the diaphragm 51a and the fixed plate 51b.
The deflection of the diaphragm 51a becomes smaller. Therefore, when the oscillation circuit 55 periodically changes the voltage across the oscillation circuit, the diaphragm 51a vibrates and ultrasonic waves are emitted to the front. Note that the resistor 54 has a function of protecting the circuit so that a large current does not flow through the circuit when discharge or the like occurs between the diaphragm 51a and the fixed plate 51b. Although the case of ultrasonic wave transmission has been described above, in the case of wave reception, 55 in FIG. 5 may be a receiving circuit that performs amplification compensation, etc.
At this time, the diaphragm 51a vibrates due to the ultrasonic waves that entered from the outside, and the diaphragm 51a and the fixed plate 51
The capacitance between b changes. Therefore, the receiving circuit 55
An alternating current flows through the device, and by amplifying and compensating this, it becomes possible to receive ultrasonic waves.
(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51bと固定板51の間に間隙に対応す
るもので、その寸法や外形がばらつくときには、
振動板51a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。(Problems to be Solved by the Invention) The conventional electrostatic ultrasonic transducer has been described above using examples. Among these, when machining the hole 101 shown in FIG. 4, the conventional machining method could not avoid slight variations in the size and shape of the hole. This hole 101 is the fifth
This corresponds to the gap between 51b and the fixed plate 51 shown in the figure, and when the dimensions and external shape vary,
There was a drawback that the force for driving the diaphragm 51a varied, and as a result, the transmission and reception characteristics of the ultrasonic waves were not constant.
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。 Furthermore, when reducing the thickness of the polyester film 48 (Fig. 4), micro holes are generated in the film during manufacturing, so a high bias voltage 53 (Fig. 5) is applied to the electrode 49 and the aluminum alloy plate. 47, which often caused a discharge to occur, deteriorating the characteristics of the device. For this reason, the thickness of the polyester film 48 is limited, and the degree of freedom in design is restricted.
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。 Furthermore, as mentioned earlier, the combination of mechanical and electrical elements is unavoidable in ultrasonic transducers, and when trying to realize even higher performance devices using conventional structures, There has been a tendency for the area occupied by these electrical elements to become larger and larger, and for devices to become larger. In fact, it is known that the wiring connecting the electrodes of arrayed transducers becomes quite large. As described above, the conventional technology has the disadvantage that even if a device with higher performance is manufactured, it is not possible to reduce the size and weight of the device.
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、耐
環境性の良い超音波トランスジユーサを提供する
ことにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art and provide an ultrasonic transducer with uniform characteristics, high sensitivity, small size, light weight, and good environmental resistance.
(問題点を解決するための手段)
本発明によれば、金属薄膜よりなる第一の電極
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、半導体基板と第二の電極の間に絶縁
薄膜を設けて両者を絶縁し、第一の電極と第二の
電極の間に絶縁薄膜を第二の電極表面に固着する
ように設け、半導体基板に対して第二の電極と同
じ側に信号入出力用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が得られる。(Means for Solving the Problems) According to the present invention, an ultrasonic transformer includes a first electrode made of a metal thin film and a second electrode provided on the surface of a semiconductor substrate having a hole on the surface. In Jusa, an insulating thin film is provided between the semiconductor substrate and the second electrode to insulate them, and an insulating thin film is provided between the first electrode and the second electrode so as to be fixed to the surface of the second electrode. , an ultrasonic transducer characterized in that a signal input/output electrode is provided on the same side of the semiconductor substrate as the second electrode is obtained.
また、本発明によれば、金属薄膜よりなる第一
の電極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、半導体基板と第二の電極の間
に絶縁薄膜を設けて両者を絶縁し、第一の電極と
第二の電極の間に絶縁薄膜を第二の電極表面に固
着するように設け、半導体基板に対して第二の電
極と同じ側に信号入出力用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第二の電極に互いに
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。 Further, according to the present invention, in an ultrasonic transducer including a first electrode made of a metal thin film and a second electrode provided on the surface of a semiconductor substrate having a hole on the surface, the semiconductor substrate and the second electrode are provided. An insulating thin film is provided between the two electrodes to insulate them, an insulating thin film is provided between the first electrode and the second electrode so as to be fixed to the surface of the second electrode, and the second electrode is attached to the semiconductor substrate. A plurality of ultrasonic transducers each having a signal input/output electrode on the same side as the second electrode are arranged in an array, and independent electrical signals can be input/output to the second electrode of each ultrasonic transducer. An ultrasonic transducer characterized by the following features is obtained.
(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
る金属膜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
上記金属膜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、上部電極となる金属膜10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
図に一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、上部電極となる金属
膜10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
ランスジユーサ小型軽量に製造することが可能と
なつた。(Function) The ultrasonic transducer of the present invention is an electrostatic ultrasonic transducer that enables the manufacturing method compatible with IC process technology such as silicon and the integration of peripheral circuits, as shown in Fig. 2. A metal film 10, which is an elastic vibrating body, is provided on a silicon substrate 1.
Ultrasonic waves are transmitted by moving the CVDSiO 2 film 3 up and down according to changes in the potential difference applied to the upper and lower electrodes. On the other hand, when this device is used for receiving ultrasonic waves, the metal film 10 vibrates due to the pressure of external ultrasonic waves, and as a result, the above-mentioned
By utilizing the change in capacitance between the upper and lower electrodes of the CVDSiO 2 film 3, it is possible to detect the pressure of external ultrasound as a change in the value of the current flowing through the electric circuit (to which a bias voltage is applied). It is. At this time, in order to increase the sensitivity of the wave transmission and reception characteristics of the transducer, it is necessary to reduce the distance between the metal film 10 serving as the upper electrode and the lower electrode 6 provided on the silicon substrate 1. In the present invention, the second
As shown in the figure as an example, by fixing a thin insulating film on the surface of the lower electrode 6 by oxidation, CVD, sputtering, coating, etc., good insulation between the metal film 10, which will become the upper electrode, and the lower electrode 6 can be maintained. Tsutsu,
This made it possible to reduce the distance between the two. Furthermore, since the ultrasonic transducer of the present invention uses a semiconductor substrate, (1) holes can be made with high precision on the semiconductor substrate using semiconductor micro-etching processing technology, and device characteristics resulting from the manufacturing process can be (2) The oscillation circuit and reception circuit can be integrated using semiconductor IC process technology, making it possible to manufacture high-performance ultrasonic transducers in a compact and lightweight manner. .
(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。(Example) Hereinafter, as an example, an electrostatic airborne ultrasonic transducer, which is a type of ultrasonic transducer, will be described with reference to the drawings.
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。本実施例に示す金属膜10は、超音
波の送波および受波を行う振動膜として働くと同
時に、電気に上部電極としての機能を併せ持つて
いる。金属膜10の材料として、金、アミル等の
薄膜を利用することができるが、特に比重が小さ
いことからチタンの薄膜が望ましい。従つて本実
施例ではチタンを用いる。このチタン膜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。当該チタン膜10′の下面に設けられた
CVDSiO2膜3の両側には、上部電極としてのチ
タン膜10′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チタン膜10′
を振動させる。受波のときはチタン膜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と当該上部電極としてのチタン膜
10′との間にCVDSiO2膜3が設けられている。
これは、チタン膜10′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
部電極となる金属膜10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47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。チタン膜1
0′に働く静電的な力は、上部電極となる金属膜
10および下部電極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
設けられた信号入出力用アルミ配線(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。 FIG. 1 and FIG. 2 show one embodiment of the present invention, and correspond to a plan view and a sectional view, respectively. The metal film 10 shown in this embodiment functions as a vibrating film for transmitting and receiving ultrasonic waves, and at the same time has the function of an upper electrode for electricity. Although a thin film of gold, amyl, or the like can be used as the material for the metal film 10, a thin film of titanium is particularly preferable because of its low specific gravity. Therefore, titanium is used in this embodiment. This titanium film 10' is
It vibrates up and down above a non-penetrating etched hole 12 made in the silicon substrate 1 to transmit and receive ultrasonic waves. provided on the lower surface of the titanium film 10'.
On both sides of the CVDSiO 2 film 3, a titanium film 10' as an upper electrode and a lower electrode 6 are arranged.
When transmitting waves, an AC voltage is applied to the titanium film 10'.
vibrate. When receiving waves, a voltage is generated by the vibration of the titanium film 10'. On one main surface of the silicon substrate 1, as shown in FIG. 2, a CVDSiO 2 film 3 is provided between the lower electrode 6 and the titanium film 10' serving as the upper electrode.
This helps maintain electrical insulation between the titanium film 10' and the lower electrode 6. Furthermore, the said
When the thickness of the CVDSiO 2 film 3 is about 1 μm, the spatial distance between the metal film 10 serving as the upper electrode and the lower electrode 6 is also about 1 μm. Compared to the case where the distance between the electrodes was approximately the thickness of the polyester film 48 (approximately 12 μm), there is an advantage that the distance between the electrodes can be significantly reduced. Titanium film 1
Since the electrostatic force acting on the electrode 0' is approximately inversely proportional to the square of the distance between the metal film 10 serving as the upper electrode and the lower electrode 6, the distance between the electrodes can be reduced by the configuration according to the present invention. As a result, the sensitivity of the wave transmission and reception characteristics of the device can be increased. Note that there is also a gap between the lower electrode 6 and the silicon substrate 1.
A SiO 2 film 20 is inserted to prevent current from leaking between the lower electrode 6 and the silicon substrate 1. The lower electrode 6 is an aluminum wiring for signal input/output (not shown), which is also provided on the CVDSiO 2 film 3.
It is electrically connected to an integrated circuit 8 for driving and receiving fabricated on the silicon substrate 1 via. Further, the etching hole 12 is manufactured by applying, for example, silicon anisotropic etching technology in order to finish the etching hole 12 with high precision in size and shape. For example, a pattern of multiple square SiO 2 films with one side aligned in the <110> direction is formed using photolithography technology on one side of a silicon substrate 1 whose main surface is in the (100) direction. After forming using
The sample is immersed in an anisotropic etching solution such as hydrazine. In this case, at the stage when the etched hole 12 in the shape of a pyramid-shaped square pyramid is formed,
The feature is that silicon etching automatically stops. In addition, as mentioned earlier, in order to create the shape of the etched hole 12 using photolithography technology, it is possible to form a minute shape with high precision, and furthermore, it is possible to immerse the sample in a liquid and perform etching. This method has the advantage that a large amount of samples can be processed at once.
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団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は
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
じ形状の一辺が数十μmの長さの正方形の開口3
0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
12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)。 FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing an ultrasonic transducer having an embodiment of the present invention. In the figures, the same numerals as those in FIG. 1 and Group 2 shown earlier as an embodiment of the present invention indicate the same components. Figure a shows that a silicon substrate 1 with a (100) plane is placed in an oxidation furnace and its front and back surfaces are
A square opening 3 having the same shape as the etching hole 12 shown in FIG .
0 is formed. When forming the opening 30, the side of the etched hole 12 in FIG.
It must be placed facing the direction. This sample is immersed in an aqueous solution of EDP (ethylenediamine pyrocatechol) or hydrazine to perform anisotropic etching of the silicon (Figure b). Aqueous solutions such as EDP and hydrazine have a property that the etching rate for the (100) plane of silicon is significantly higher than that for the (111) plane (anisotropy).
It has Therefore, by immersing the sample shown in FIG. 1A in the aqueous solution, the etching hole 12 shown in FIG. Subsequently, the sample is put into the oxidation furnace again in order to apply the SiO 2 film 20 to the etching hole 12, and then the integrated circuit 8 for transmitting and receiving is formed using the usual silicon IC process technology (FIG. 3(c)). Next, a thin aluminum film that will become the lower electrode 6 and wiring (not shown) connecting it to the integrated circuit 8 is formed on the SiO 2 film 20 by vapor deposition or the like, and then the sample is placed in a CVD furnace to form the CVDSiO 2 film 3. form (d in the same figure).
下部電極6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、厚さ
数μmのチタン膜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)。 The lower electrode 6 is desirably made of Au on a Cr base to improve bonding with the SiO 2 film 20, but is not necessarily limited to this.
Metals such as aluminum may be used instead. Thereafter, a titanium film 10' having a thickness of several μm is adhered to the CVDSiO 2 film 3, and then the device is mounted on a package (see e in the figure).
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。 FIGS. 6 and 7 are plan views showing other embodiments of the present invention. In Figures 1 and 2,
The same numbers as in the figures indicate the same components. In these examples, the rectangle 70 shown in dashed lines
1 and 2 show elements included on the same bottom electrode shown in FIGS. 1 and 2. However, the integrated circuit 8 is not included. Further, electrodes formed on the upper and lower surfaces of the vibrating body element 70 are connected to a part of the peripheral circuit 8 via aluminum wiring (not shown). When a plurality of the vibrating body elements 70 are arranged as shown in the embodiments of FIGS. 6 and 7, ultrasonic waves can be strongly radiated to a small angle in the front, or ultrasonic waves can be strongly received only in a small angle in the front. You can
It has the characteristic of being less distracted by surrounding noise. Furthermore, by using the silicon anisotropic etching technique described above, it is possible to simultaneously form the vibrating body elements 70 with exactly the same shape, so there is no problem in terms of quality and manufacturing time. It has this feature. In addition to the embodiments shown here, there is also an embodiment (not shown) in which the area of the vibrating body element 70 at the center is increased and the area of the vibrating body element 70 is decreased toward the periphery. In this case, the directivity described above is further improved,
This has the advantage of being able to provide a high quality device with less noise.
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。 FIG. 8 shows a plan view of an embodiment of the second invention of the present application. In the figure, the same numbers as in FIG. 6 indicate the same components. The embodiment of the present invention is characterized in that the lower electrodes 6 formed on the vibrating body element 70 are arranged separately from each other, and are each connected to the peripheral circuit 8 via aluminum wiring. Therefore, in the ultrasonic transducer having the configuration of this embodiment, it is possible to apply voltages having different intensities and phases to each vibrating body element 70. In particular, by applying voltages with different phases to each vibrating body element 70, the directions of ultrasonic wave transmission and wave reception can be changed, and therefore, high-performance ultrasonic wave that conducts electrical scanning can be achieved. It has the feature of being able to provide a transducer.
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。 Although FIG. 8 shows an ultrasonic transducer array with one row and five columns, there is no need to limit the number of vibrating body elements 70 at all. For example, in the embodiment shown in FIG. 7, the electrodes on the upper and lower surfaces of the vibrating body elements 70 are arranged separately for each vibrating body element 70,
By connecting each electrode to the peripheral circuit 8, a two-dimensional ultrasonic transducer capable of electrically scanning in two-dimensional directions can be realized.
Furthermore, in the ultrasonic transducer array described in this embodiment, compared to the conventional technology, the lower surface electrodes of each vibrating body element 70 can be formed simultaneously and easily using ordinary IC process technology. This is a big advantage.
なお下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。 In the embodiment in which the lower electrode is separated, one vibrating body element 70 has been described as having a plurality of etched holes as shown in FIGS. 1 and 2, but the present invention is not limited to this. One etched hole in FIG. 2 may be considered to correspond to one vibrator element.
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。 The present invention has been described in detail by giving examples. The configuration of the present invention is applicable regardless of whether the ultrasonic wave used as a signal changes continuously or changes in a pulsed manner with only one or a few wavelengths. This also holds true regardless of whether the ultrasonic wave has a single wavelength or multiple wavelengths. Furthermore, in the embodiment of the present invention, air was trapped in the hole under the vibrating body;
In addition to this configuration, there is also a configuration in which an opening is made at the bottom of the hole to allow air to flow. Furthermore, the present invention also includes a configuration in which the influence of the back side of the device is reduced by placing a sound-absorbing substance such as a sponge on the outside of the hole, and a configuration in which a horn is placed in front of the vibrating body to increase sensitivity. include.
なお、上記実施例において振動に寄与する金属
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、金属膜と下部電極
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。 In the above embodiments, the sensitivity of ultrasonic transmission and reception can be increased by increasing the area or decreasing the thickness of the metal film that contributes to vibration. Furthermore, the sensitivity can also be increased by making the CVDSiO 2 film 3 between the metal film and the lower electrode thinner. but,
In this case, changes in the frequency characteristics of the device occur at the same time, so when designing an ultrasonic sensor, consider the above effects and optimize the sensitivity, frequency characteristics, electroacoustic conversion efficiency, etc. The dimensions of the vibrating body and the CVDSiO 2 film 3 must be determined.
なお前記実施例では金属膜10としてチタン膜
10′を使つたが本発明はこれに限られるもので
はない。また第2図のCVDSiO2膜3もこれに限
らず、Si3N4、SiOxNy、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。 Although the titanium film 10' was used as the metal film 10 in the above embodiment, the present invention is not limited to this. Furthermore, the CVDSiO 2 film 3 shown in Fig. 2 is not limited to this, but any material that can be adhered to the surface of the lower electrode 6 in a thin film form by CVD, sputtering, coating, etc., such as Si 3 N 4 , SiO x N y , or polyimide, can be used. be able to.
(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、小型軽量で、しかも耐環
境性の良い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。特に、振動膜として従
来のポリエステル膜に替えて、金属膜を利用する
ことから、温度等に対する耐環境性の良好なデバ
イス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。(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, it has become possible to provide an integrated ultrasonic transducer that has less variation in characteristics, is highly sensitive, is small and lightweight, and has good environmental resistance. In particular, by using a metal film as the vibrating membrane instead of the conventional polyester membrane, it has become possible to provide a device with good environmental resistance against temperature and the like. the result,
High-performance ultrasonic transducers can now be used to detect proximity sense in fields such as industrial robots. Further, since the ultrasonic transducer of the present invention can be manufactured in large quantities using a manufacturing method that is compatible with conventional semiconductor IC manufacturing process technology, manufacturing costs can be reduced. These effects are remarkable and the present invention is effective.
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……金属
膜、10′……チタン膜、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、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……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、55……発信および受信回
路、70……振動体要素。
Figures 1 and 2 are a plan view and a sectional view of an embodiment of the first invention of the present application, respectively, and Figures 3 a to e
4 is a conceptual diagram showing an example of a method for manufacturing the embodiment of the first invention of the present application, FIG. 4 is a sectional view of a conventional ultrasonic transducer, and FIG. 5 is a sectional view of a conventional electrostatic transducer. The principle diagram, FIGS. 6 and 7 are plan views showing other embodiments of the first invention of the present application, and FIG. 8 is a plan view showing an embodiment of the ultrasonic transducer array according to the second invention of the present application. . 1... Silicon substrate, 3... CVDSiO 2 film, 6
... lower electrode, 8 ... integrated circuit, 10 ... metal film, 10' ... titanium film, 12 ... etching hole,
20... SiO 2 film, 30... Opening, 41... Metal case, 42... Plastic case, 43...
Protective screen, 44, 45... Electrode terminal, 46
...Plate spring, 47...Aluminum alloy plate, 48...
Polyester film, 49... Upper electrode, 51...
Mechanical element, 51a...diaphragm, 51b...fixing plate, 52...electrical element, 53...bias voltage, 54...resistance, 55...transmission and reception circuit, 70...vibrating body element.
Claims (1)
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、半
導体基板と第二の電極の間に絶縁薄膜を設けて両
者を絶縁し、第一の電極と第二の電極の間に絶縁
薄膜を第二の電極表面に固着するように設け、半
導体基板に対して第二の電極と同じ側に信号入出
力用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 金属薄膜よりなる第一の電極と表面に穴を有
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、半
導体基板と第二の電極の間に絶縁薄膜を設けて両
者を絶縁し、第一の電極と第二の電極の間に絶縁
薄膜を第二の電極表面に固着するように設け、半
導体基板に対して第二の電極と同じ側に信号入出
力用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
ーサの第二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。[Claims] 1. An ultrasonic transducer comprising a first electrode made of a metal thin film and a second electrode provided on the surface of a semiconductor substrate having a hole in the surface, wherein the semiconductor substrate and the second An insulating thin film is provided between the first electrode and the second electrode to insulate them, an insulating thin film is provided between the first electrode and the second electrode so as to be fixed to the surface of the second electrode, and the second electrode is attached to the semiconductor substrate. An ultrasonic transducer characterized by having a signal input/output electrode provided on the same side as the electrode. 2. In an ultrasonic transducer equipped with a first electrode made of a metal thin film and a second electrode provided on the surface of a semiconductor substrate having a hole on the surface, an insulating layer is provided between the semiconductor substrate and the second electrode. A thin film is provided to insulate them, an insulating thin film is provided between the first electrode and the second electrode so as to be fixed to the surface of the second electrode, and a signal is placed on the same side of the semiconductor substrate as the second electrode. A plurality of ultrasonic transducers provided with input/output electrodes are arranged in an array, and independent electrical signals can be input/output to the second electrodes of each ultrasonic transducer. Ultrasonic transducer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7024287A JPS63237699A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Ultrasonic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7024287A JPS63237699A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Ultrasonic transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63237699A JPS63237699A (en) | 1988-10-04 |
| JPH0547160B2 true JPH0547160B2 (en) | 1993-07-15 |
Family
ID=13425902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7024287A Granted JPS63237699A (en) | 1987-03-26 | 1987-03-26 | Ultrasonic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63237699A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6395390B2 (en) * | 2014-02-07 | 2018-09-26 | キヤノン株式会社 | Capacitive transducer and manufacturing method thereof |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61220600A (en) * | 1985-03-26 | 1986-09-30 | Nec Corp | Ultrasonic wave sensor |
-
1987
- 1987-03-26 JP JP7024287A patent/JPS63237699A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63237699A (en) | 1988-10-04 |
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