JPH067719B2 - Ultrasonic transducer - Google Patents
Ultrasonic transducerInfo
- Publication number
- JPH067719B2 JPH067719B2 JP6133485A JP6133485A JPH067719B2 JP H067719 B2 JPH067719 B2 JP H067719B2 JP 6133485 A JP6133485 A JP 6133485A JP 6133485 A JP6133485 A JP 6133485A JP H067719 B2 JPH067719 B2 JP H067719B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diaphragm
- ultrasonic transducer
- electrode
- circuit
- silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Transducers For 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
つ小型軽量の超音波トランスジューサの構造に関するも
のである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrasonic transducer, and more particularly to a structure of a high-performance, small-sized and lightweight ultrasonic transducer that can be used for detecting a sense of proximity of an industrial robot. Is.
(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。従って、近
年、可視光にかわっ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ま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、こ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
的要素が一体とはならずに分離している。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。(Prior Art and its Problems) Conventionally, in the field of industrial robots, solid-state imaging sensors using visible light such as CCD have been widely used for recognizing the distance, size, shape, etc. of a target object. However, a sensor using visible light has a drawback that it 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 technique has appeared that attempts to use ultrasonic waves for recognizing a target object instead of visible light. In an ultrasonic transducer, ultrasonic waves are transmitted and received by one or a plurality of devices. Therefore, mechanical elements for oscillating and receiving ultrasonic waves and electrical circuits such as an oscillation circuit and a receiving circuit for assisting this are provided. The elements need to be well combined and constructed. Especially, when trying to radiate ultrasonic waves into the air by vibrating a certain surface, the response (acoustic impedance) of the air to this surface is much smaller than that of liquids and solids, so the emission of ultrasonic waves with high intensity Is difficult. Therefore, it is necessary not only to design the mechanical element so that the ultrasonic wave is efficiently radiated, but also to devise the electrical element so that the small signal is compensated and received by the amplification compensation circuit. . However, in the ultrasonic transducers that are commonly used at present, the mechanical element and the electrical element are not integrated but separated. Hereinafter, a conventional example will be described with reference to the drawings, and at the same time, its drawbacks will be described.
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
μm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
と反対の側の表面に、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はプラスチックケース42に固
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は金属ケース
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41を介
して電極49と等しい。これより、電極端子44,45
に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5
1b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。従って、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
波が直面に放射される。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、外部から浸入した超音波によ
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
ランスジュ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になることが知られ
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形成して
小型軽量を実現したデバイスが切に望まれていた。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。FIG. 4 is a diagram showing a cross section of a configuration example of a conventional ultrasonic transducer. In the figure, reference numeral 47 denotes a circular aluminum alloy plate, in which a groove 101 having a depth of several tens to several hundreds of μm is formed in the center. On the upper surface of this groove 101, a polyester film 48 having a thickness of 6 to 20 μm is inserted and fixed by a metal case 41 and an aluminum alloy plate 47. On the surface of the polyester film 48, an electrode 49 of gold foil or the like is vapor-deposited on the surface opposite to the surface in contact with the aluminum alloy plate 47. Reference numeral 43 in the figure is a protective screen and a metal case 41.
It prevents the polyester film 48 from being damaged from the outside. On the other hand, a leaf spring 46 made of metal is attached to the back surface of the aluminum alloy plate 47, and the aluminum alloy plate 47 is pressed against the metal case 41. The leaf spring 46 is fixed to the plastic case 42. 44 and 45 are electrode terminals, 44 is integrally formed with the leaf spring 46, while 45 is integrally formed 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 leaf spring 46, while the potential of the electrode terminal 45 is equal to that of the electrode 49 via the metal case 41. From this, the electrode terminals 44, 45
When a voltage is applied to the plate, a voltage equal to this applied voltage is generated between the aluminum alloy plate 47 and the electrode 49, and the polyester film 48 is bent by the electrostatic force. Therefore, when the voltage applied to the electrode terminals 44 and 45 changes with alternating current, the electrostatic force acting on the polyester film 48 also changes with alternating current, causing the polyester film 48 to vibrate, and as a result, ultrasonic waves are radiated to the front surface. To be done. FIG. 5 is a diagram showing the principle of the electrostatic ultrasonic transducer described in FIG. 4, in which a mechanical element 51 that vibrates and an electrical element 52 other than this.
It consists of The mechanical element 51 is composed of a vibrating plate 51a and a fixed plate 51b, and has, for example, the structure shown in FIG. On the other hand, the electric element 52 includes a bias voltage 53, a resistor 54, and an oscillation circuit 55 in the case of transmitting ultrasonic waves. Now, when no signal is generated from the oscillation circuit 55, the diaphragm 51a is fixed by the bias voltage 53.
It is pulled and bent by 1b. Then, when an AC voltage smaller than the bias voltage 53 is generated in the oscillation circuit 55, it changes as follows depending on the polarity of the voltage generated across the oscillation circuit 55. That is, when the polarity of the voltage generated across 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 vibrating plate 51a and the fixed plate 51b, so that the bending of the vibrating plate 51a becomes large. On the other hand, when the polarity of the voltage of the oscillation circuit 55 is opposite to that of the bias voltage 53, a potential difference equal to the difference between these voltages is applied to the vibrating plate 51a and the fixed plate 51b, so that the bending of the vibrating plate 51a becomes small. Therefore, when the voltage across the oscillating circuit is periodically changed by the oscillating circuit 55, the diaphragm 51a vibrates and ultrasonic waves are radiated to the surface. The resistor 54 is the diaphragm 51a.
It has a function of protecting the circuit so that a large current does not flow in the circuit when a discharge or the like occurs between the fixing plate 51b and the fixing plate 51b. Although the case of transmitting ultrasonic waves has been described above, in the case of receiving waves, 55 in FIG. 5 may be used as a receiving circuit for performing amplification compensation and the like. At this time, the ultrasonic wave entering from the outside vibrates the vibrating plate 51a and changes the capacitance between the vibrating plate 51a and the fixed plate 51b. Therefore, an alternating current flows in the receiving circuit 55, and the ultrasonic wave can be received by amplifying and compensating the alternating current. The conventional electrostatic ultrasonic transducer has been described above with reference to examples. As shown here, in the ultrasonic transducer, it is inevitable to combine the mechanical element and the electric element, and the ultrasonic transducer shown in FIG. 4 as a conventional example also has the mechanical element of FIG. The whole was configured with an external electric circuit. Therefore, when it is attempted to realize a high-performance device with the conventional structure, the area occupied by the electrical elements is further increased, and the device tends to be large. This trend has become increasingly problematic when trying to realize ultrasonic transducer arrays. It is known that the wiring connecting the electrodes of the arrayed transducers can actually be quite large. On the other hand, as mentioned above, a high-performance and small-sized ultrasonic transducer is required in the field of industrial robots. Therefore, there has been a strong demand for a device in which the electrical elements of the ultrasonic transducer are integrated by utilizing the silicon IC process technology and the mechanical elements for vibrating the elements are integrally formed to realize a small size and light weight. However, in the ultrasonic transducer having the conventional structure, it is impossible to manufacture the mechanical element in conformity with the IC process technology of silicon, so that there is a drawback that the device cannot be made smaller and lighter. .
(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
かつ小型軽量の超音波トランスジューサを提供すること
にある。(Object of the Invention) An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art and provide a high-performance, small-sized and lightweight ultrasonic transducer.
(発明の構成) 本発明によれば、表面の一方の側に第一の電極をもつダ
イアフラムと、当該ダイアフラムとスペーサを介して対
向する第二の電極により構成される静電型超音波トラン
スジューサにおいて、前記ダイアフラムが無機絶縁膜お
よび高分子膜の複合層により、また、前記スペーサがシ
リコンにより構成されることを特徴とする超音波トラン
スジューサおよび、表面の一方の側に第一の電極をもつ
ダイアフラムと、当該ダイアフラムとスペーサを介して
対向する第二の電極により構成される静電型超音波トラ
ンスジューサにおいて、前記ダイアフラムが無機絶縁膜
および高分子膜の複合層により、また、前記スペーサが
シリコンにより構成される超音波トランスジューサを一
つの素子とし、当該素子を同一シリコン基板上に複数個
ならべ、前記第一あるいは第二の電極の少なくとも一方
を当該各素子ごとに分離し、当該各素子の前記ダイアフ
ラムに当該素子ごとに異なる電圧が印加されるようにし
た超音波トランスジューサが得られる。(Structure of the Invention) According to the present invention, in an electrostatic ultrasonic transducer including a diaphragm having a first electrode on one side of the surface and a second electrode facing the diaphragm via a spacer. An ultrasonic transducer in which the diaphragm is composed of a composite layer of an inorganic insulating film and a polymer film, and the spacer is composed of silicon; and a diaphragm having a first electrode on one side of the surface. In the electrostatic ultrasonic transducer composed of a second electrode facing the diaphragm via a spacer, the diaphragm is composed of a composite layer of an inorganic insulating film and a polymer film, and the spacer is composed of silicon. Ultrasonic transducer as one element, and multiple elements on the same silicon substrate As a result, an ultrasonic transducer is obtained in which at least one of the first and second electrodes is separated for each element, and different voltages are applied to the diaphragm of each element for each element.
(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
図に示すように弾性定数の小さい高分子膜により主に構
成されたダイアフラムがこの上下の電極に加えられた電
位差の変化に従って変形し、超音波を送波するように工
夫されている。また、このデバイスを超音波の受波に用
いる場合には、上記ダイアフラムが外部超音波により振
動するときダイアフラムの上下の電極間の容量が変化す
ることを利用して、電気回路に流れる電流の変化として
読み出すことができるようになっている。また、上記ダ
イアフラムと下部の電極の間に挿入されたスペーサがシ
リコンより構成されているため、このスペーサの領域に
発振回路および受信回路をICプロセス技術により集積
化することが可能であるため、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できた。(Principle of Operation of the Invention) An ultrasonic transducer according to the present invention is a monolithic ultrasonic transducer capable of integrating a manufacturing method and peripheral circuits conforming to silicon IC process technology.
As shown in the figure, the diaphragm, which is mainly composed of a polymer film having a small elastic constant, is deformed according to the change in the potential difference applied to the upper and lower electrodes, and is designed to transmit ultrasonic waves. When this device is used to receive ultrasonic waves, the change in the current flowing in the electric circuit is utilized by utilizing the fact that the capacitance between the upper and lower electrodes of the diaphragm changes when the diaphragm vibrates due to external ultrasonic waves. Can be read as. Further, since the spacer inserted between the diaphragm and the lower electrode is made of silicon, the oscillation circuit and the receiving circuit can be integrated in the region of this spacer by the IC process technology, and thus the high performance is achieved. Performance Ultrasonic transducer can be manufactured in a small size and light weight.
(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図は、本発明の一実施例を示す断面図であり、
第2図は本発明の動作原理を示す概念図である。図にお
いて、従来例として示した第4図および第5図と同一番
号は同一構成要素を示している。本実施例の超音波の送
波および受波を行なうダイアフラム22は、二酸化シリ
コン(SiO2)等の薄い無機絶縁膜1と数〜20μmの厚さ
をもつポリイミド樹脂等よりなる高分子膜2より構成さ
れているために小さな弾性定数をもち、そのために振動
による変形が容易な構造となっている。当該膜1は、本
実施例の外に、窒化シリコン膜(Si3N4)あるいはSi3N4/S
iO2/Si3N4の3層構造膜等でも良く、シリコン基板9を
化学的にエッチングして溝12を形成するときに高分子
膜2を保護する役目をもっている。また、高分子膜2
は、回転塗布法を用いると厚さを精確に制御することが
可能であり、材料として本実施例の外にフォトレジスト
を用いても良い。かかる構造をもつダイアフラム22の
一方の表面には、金等が蒸着等によりつけられて第一の
電極3を形成している。一方、当該ダイアフラム22の
背面には、当該第一の電極3に対向して第二の電極4が
ベークライト等の絶縁ケース5の上につけられており、
前記第一の電極3と当該第二の電極4により前記ダイア
フラム22と前記シリコン基板9を挿み込んだ構造をし
ている。当該シリコン基板9は前記ダイアフラム22と
前記第二の電極4のスペーサとしての役目をしており、
ダイアフラム22と接する面には8で示す発振および受
信回路がICプロセス技術により集積化されている。ま
た、当該シリコン基板9のダイアフラム22が形成され
ている面と反対側の面では、金・シリコン共晶合金13
等によりシリコン基板9が電極4および絶縁ケース5に
接着されている。図中の10および11はリードで、そ
れぞれボンディング線6およびアルミ配線7を介して集
積回路8と外部の電源および制御装置(図示せず)との
間に信号の入出力を行なう。なお、当該リード11は、
前記第二の電極4と図に示すように接続されており、前
記集積回路8の端子に電極4と等しい電位を与えてい
る。第2図の(a)は、発振回路55の両端に生ずる電圧
の極性がバイアス電圧53と反対の場合を示しており、
同図(b)は、当該電圧の極性が同じ場合を示している。
同図に示すように、当該ダイアフラム22は、同図(b)
の方が同図(a)よりも大きく変位する。従って、発振回
路55の電圧が交流的に変化して極性を変えるとき、ダ
イアフラム22は、同図(a)→(b)→(a)→…と変形する
ことになり、この結果、ダイアフラム22の前面に超音
波が放射される。超音波の強度は、バイアス電圧53の
大きさが大きい程強く放射されるが、一方、バイアス電
圧53が大き過ぎるときには、ダイアフラム22と電極
4の間に放電が生じるためにデバイスの破損が生じる危
険がある。従って、バイアス電圧53は適度な値に設計
されるべきである。先に述べたように、当該デバイスを
超音波の受波に用いる場合には、第2図の55を適当な
受信回路で置き換えると良い。このとき、第一の電極3
と第二の電極4の間の容量がダイアフラム22の変形に
従って変化するから、外部より侵入した超音波がダイア
フラム22を同図(a)→(b)→(a)→…と変形させると
き、受信回路55の両端に流れる電流値が変化する。こ
の電流値を受信回路55により適度に信号処理すること
により、超音波の受信が可能となる。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。(Example) Hereinafter, the Example of this invention is described with reference to drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the operating principle of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those of FIGS. 4 and 5 shown as a conventional example indicate the same constituent elements. The diaphragm 22 for transmitting and receiving ultrasonic waves in this embodiment is composed of a thin inorganic insulating film 1 made of silicon dioxide (SiO 2 ) and a polymer film 2 made of a polyimide resin having a thickness of several to 20 μm. Since it is constructed, it has a small elastic constant, which makes it easy to deform due to vibration. In addition to the present embodiment, the film 1 is a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) or Si 3 N 4 / S.
A three-layer structure film of iO 2 / Si 3 N 4 or the like may be used, and has a role of protecting the polymer film 2 when the groove 12 is formed by chemically etching the silicon substrate 9. Also, the polymer film 2
With the use of the spin coating method, the thickness can be precisely controlled, and a photoresist may be used as a material other than that of this embodiment. Gold or the like is attached to one surface of the diaphragm 22 having such a structure by vapor deposition or the like to form the first electrode 3. On the other hand, on the back surface of the diaphragm 22, a second electrode 4 is attached on the insulating case 5 such as Bakelite so as to face the first electrode 3.
The diaphragm 22 and the silicon substrate 9 are inserted by the first electrode 3 and the second electrode 4. The silicon substrate 9 functions as a spacer between the diaphragm 22 and the second electrode 4,
An oscillation and reception circuit denoted by 8 is integrated by IC process technology on the surface in contact with the diaphragm 22. On the surface of the silicon substrate 9 opposite to the surface on which the diaphragm 22 is formed, the gold-silicon eutectic alloy 13 is formed.
The silicon substrate 9 is adhered to the electrode 4 and the insulating case 5 by the above. In the figure, 10 and 11 are leads for inputting / outputting signals between the integrated circuit 8 and an external power supply and control device (not shown) via the bonding wire 6 and the aluminum wiring 7, respectively. The lead 11 is
It is connected to the second electrode 4 as shown in the figure, and the same potential as that of the electrode 4 is applied to the terminal of the integrated circuit 8. 2A shows a case where the polarity of the voltage generated across the oscillation circuit 55 is opposite to that of the bias voltage 53,
FIG. 6B shows a case where the polarities of the voltages are the same.
As shown in the figure, the diaphragm 22 is
The displacement is larger than that in the figure (a). Therefore, when the voltage of the oscillating circuit 55 changes in alternating current to change the polarity, the diaphragm 22 is deformed as shown in (a) → (b) → (a) → ... As a result, the diaphragm 22 is deformed. Ultrasonic waves are radiated on the front surface of the. The larger the bias voltage 53 is, the stronger the intensity of the ultrasonic waves is radiated. On the other hand, when the bias voltage 53 is too large, the device may be damaged due to discharge between the diaphragm 22 and the electrode 4. There is. Therefore, the bias voltage 53 should be designed to an appropriate value. As described above, when the device is used for receiving ultrasonic waves, 55 in FIG. 2 may be replaced with an appropriate receiving circuit. At this time, the first electrode 3
Since the capacitance between the second electrode 4 and the second electrode 4 changes in accordance with the deformation of the diaphragm 22, when the ultrasonic wave invading from the outside deforms the diaphragm 22 in the same manner as (a) → (b) → (a) → ... The value of the current flowing across the receiving circuit 55 changes. Ultrasonic waves can be received by appropriately performing signal processing on this current value by the receiving circuit 55. It is needless to say that the transmitting circuit and the receiving circuit described in this embodiment are not particularly limited, and all known circuit technologies are included in the present invention.
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。同図(a)
は通常のシリコンのICプロセス技術を用いて周辺回路
32をシリコン基板30の表面に形成したものである。
この段階においては、通常、酸化膜31がシリコン基板
30の表裏に形成されているので、当該酸化膜31をエ
ッチングして完全に除去する(同図(b))。続いて、シ
リコン基板30の表側の側に酸化膜31をCVD法によ
り形成し(同図(c))、さらに熱酸化法によってシリコ
ン基板30の表裏面に薄い酸化膜を形成する(同図
(d))。以上の手順を行なう理由は、シリコン基板30
の表側の面の酸化膜31に生ずる応力を低く抑えるため
であり、後述する同図(h)の段階でエッチングが当該酸
化膜31で停止するようにするために必要である。さ
て、同図(d)のシリコン基板30の表側にポリイミド樹
脂等を回転塗布し、これを焼き固めて高分子膜33を形
成した後、フォトレジスト等で保護して周辺回路32の
電極を外部に取り出すためのコンタクト穴34を開ける
(同図(e))。続いて、シリコン基板30の表側にアル
ミ等を蒸着した後、不必要な箇所を除去して電極35お
よびアルミ配線38を形成する(同図(f))。当該シリ
コン基板30の裏側より溝パターン36の領域における
酸化膜31を除去する(同図(g))。この後、シリコン
基板30の裏側のみがエッチング液と接触するようにし
た治具を用いてシリコン基板30をエッチングして溝3
7を形成する。この際シリコンのエッチング液として、
KOH、ヒドラジン等の異方性を示すエッチング液を用
いると、横方向の不必要なエッチングがないため、溝3
7を正確に制御して形成することができる。なお、シリ
コン基板30の表側に形成された酸化膜31に大きな応
力が存在するときには、同図(h)で示される溝37を形
成したときに当該溝37を覆う当該酸化膜31にクラッ
クが生じ、このクラックを通して高分子膜33がエッチ
ングされるということが起こる。従って、当該シリコン
基板30の表側の酸化膜31に大きな応力が生じないよ
うに注意しなければいけない。FIG. 3 shows an example of a procedure for manufacturing an ultrasonic transducer having an embodiment of the present invention. Figure (a)
The peripheral circuit 32 is formed on the surface of the silicon substrate 30 by using a normal silicon IC process technology.
At this stage, since the oxide film 31 is usually formed on the front and back surfaces of the silicon substrate 30, the oxide film 31 is completely removed by etching (FIG. 7B). Subsequently, an oxide film 31 is formed on the front side of the silicon substrate 30 by the CVD method (FIG. 3C), and thin oxide films are further formed on the front and back surfaces of the silicon substrate 30 by the thermal oxidation method (FIG.
(d)). The reason for performing the above procedure is that the silicon substrate 30
This is because the stress generated in the oxide film 31 on the front surface of the is suppressed to a low level, and it is necessary for the etching to stop at the oxide film 31 at the stage of FIG. Now, a polyimide resin or the like is spin-coated on the front side of the silicon substrate 30 of FIG. 3D, and the polymer film 33 is formed by baking and solidifying the polyimide resin, and then the electrodes of the peripheral circuit 32 are protected by a photoresist or the like. A contact hole 34 for taking it out is opened (FIG. 6 (e)). Then, after depositing aluminum or the like on the front side of the silicon substrate 30, unnecessary portions are removed to form electrodes 35 and aluminum wirings 38 (FIG. 7F). The oxide film 31 in the region of the groove pattern 36 is removed from the back side of the silicon substrate 30 (FIG. 9 (g)). After that, the silicon substrate 30 is etched using a jig in which only the back side of the silicon substrate 30 is brought into contact with the etching solution, and the groove 3 is formed.
Form 7. At this time, as an etching liquid for silicon,
When an anisotropic etching solution such as KOH or hydrazine is used, there is no unnecessary etching in the lateral direction.
7 can be formed with precise control. When a large stress is present in the oxide film 31 formed on the front side of the silicon substrate 30, a crack is generated in the oxide film 31 covering the groove 37 when the groove 37 shown in FIG. That is, the polymer film 33 is etched through the cracks. Therefore, care must be taken not to cause a large stress in the oxide film 31 on the front side of the silicon substrate 30.
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
た複数の矩形はダイアフラム22を示している。また、
当該ダイアフラム22の上面に形成された電極3はアル
ミ配線60およびコンタクト穴61を介して周辺回路8
の一部と接続されている。なお、これらの図において、
周辺回路8の間を結ぶアルミ配線はこれを省略して描い
た。第6図および第7図の実施例に示すように当該ダイ
アフラム22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長がある。また、
単一の大きな面積をもつダイアフラム構造と比較して、
本実施例に示すような小さな複数個のダイアフラムに分
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(h)の説
明で述べたシリコンの異方性エッチングの技術を用いる
と、正確に形状の等しいダイアフラム22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、中央のダイアフラム22の面積を
大きくとり、周辺に行くに従ってダイアフラム22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。6 and 7 are plan views showing another embodiment of the present invention. In the figure, the same numbers as in FIG. 1 indicate the same components. In these examples, a plurality of rectangles indicated by broken lines indicate the diaphragm 22. Also,
The electrode 3 formed on the upper surface of the diaphragm 22 is connected to the peripheral circuit 8 via the aluminum wiring 60 and the contact hole 61.
Connected with some of. In these figures,
The aluminum wiring connecting the peripheral circuits 8 is omitted in the drawing. When a plurality of the diaphragms 22 are arranged as shown in the embodiment of FIGS. 6 and 7, ultrasonic waves are strongly radiated to a small front angle, or ultrasonic waves of only a small front angle are strongly received. The feature is that it is less likely to be disturbed by ambient noise. Also,
Compared to a single large area diaphragm structure,
When divided into a plurality of small diaphragms as shown in this embodiment, there is an advantage that the signals of the harmonics other than the fundamental mode can be reduced, and this is also useful for reducing the noise of the signals. Furthermore, when the technique of anisotropic etching of silicon described in the description of FIG. 3 (h) is used, the diaphragms 22 having exactly the same shape can be simultaneously formed, so that the quality and the time required for manufacturing can be reduced. It has the feature that there is no problem at all. In addition to the embodiment shown here, there is also an embodiment in which the area of the central diaphragm 22 is increased and the area of the diaphragm 22 is decreased toward the periphery (not shown). In this case, there is an advantage that the above directivity is further improved and a high-quality device with less noise can be provided.
第8図も本発明の他の実施例である。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、ダイアフラム22の上面に形成された
電極3が各ダイアフラム22ごとに分離して配置されて
おり、それぞれアルミ配線60およびコンタクト穴61
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。従って、本実施例の構成をとる超音波トランスジュ
ーサにおいては、各ダイアフラム22ごとに異なった強
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、各ダイアフラム22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、電気的に走査を行なう
高性能な超音波トランスジューサを提供できるという特
長がある。第8図に示す実施例においては、ダイアフラ
ム22の上面の電極3を各ダイアフラム22について分
離したが、この他に、ダイアフラム22上面の電極3を
共通にして、ダイアフラム22の下面の第二の電極(図
示せず)を各ダイアフラム22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。また
第一の電極と第二の電極をともにダイアフラム22ごと
に分離してもかまわない。第8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、ダイアフラ
ム22の個数について何ら制限される必要はない。例え
ば、前記第7図の実施例において、ダイアフラム22上
面の電極3を各ダイアフラム22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
ダイアフラム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。FIG. 8 also shows another embodiment of the present invention. In the figure, the sixth
The same reference numerals as those in the figure indicate the same components. In the embodiment of the present invention, the electrodes 3 formed on the upper surface of the diaphragm 22 are separately arranged for each diaphragm 22, and the aluminum wiring 60 and the contact hole 61 are respectively provided.
It is characterized in that it is connected to the peripheral circuit 8 via. Therefore, in the ultrasonic transducer having the configuration of this embodiment, it becomes possible to apply voltages having different intensities and phases to the respective diaphragms 22.
In particular, by applying voltages having different phases to the diaphragms 22, it is possible to change the directions of transmission and reception of ultrasonic waves. Therefore, a high-performance ultrasonic transducer for electrically scanning can be provided. It has the feature that it can be provided. In the embodiment shown in FIG. 8, the electrode 3 on the upper surface of the diaphragm 22 is separated for each diaphragm 22, but in addition to this, the electrode 3 on the upper surface of the diaphragm 22 is shared and the second electrode on the lower surface of the diaphragm 22 is shared. A device having the same effect as above can be realized by separating (not shown) for each diaphragm 22. Further, both the first electrode and the second electrode may be separated for each diaphragm 22. Although FIG. 8 shows an ultrasonic transducer array of 1 row and 5 columns, the number of diaphragms 22 need not be limited. For example, in the embodiment of FIG. 7, when the electrodes 3 on the upper surface of the diaphragm 22 are separately arranged for each diaphragm 22 and each electrode is connected to the peripheral circuit 8, the electrodes 3 are electrically scanned in a two-dimensional direction. It is possible to realize a two-dimensional ultrasonic transducer capable of performing. Further, in the ultrasonic transducer array described in this embodiment, the upper electrode of each diaphragm can be simultaneously and easily formed by using a normal IC process technique, which is a great advantage over the conventional technique. .
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等にも関係
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、ダイアフラム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、およびダイアフラ
ム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 above with reference to examples.
The configuration of the present invention is established regardless of whether the ultrasonic wave used as a signal changes continuously or changes in a pulsed manner with only a few wavelengths.
Further, it is established regardless of whether the wavelength of ultrasonic waves is single or plural. Further, in the embodiment of the present invention, the air is confined in the groove below the diaphragm, but in addition to this structure, there is a structure in which a hole is opened at the bottom of the groove to allow the air to flow. Furthermore, the present invention also has a configuration in which the influence of the back side of the device is reduced by a method such as placing a substance that absorbs sound such as sponge outside the groove, and a configuration in which a horn is placed in front of the diaphragm to increase the sensitivity. include.
なお、上記実施例においてダイアフラムの面積を大きく
したり、厚さを薄くしたり、あるいは、スペーサとして
用いられるシリコン基板の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高くすることがで
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ダイアフラムとスペーサの寸法を決
めなければならない。In the above embodiment, the sensitivity of ultrasonic wave transmission and reception is increased by increasing the area of the diaphragm, reducing the thickness, or reducing the thickness of the silicon substrate used as a spacer. Can be higher. However, in this case, the frequency characteristics of the device change at the same time, so when designing the ultrasonic sensor, considering the above effects, the diaphragm and the diaphragm should be optimized to optimize the sensitivity and frequency characteristics. Spacer dimensions must be determined.
(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
軽量の超音波トランスジュー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。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to supply a high-performance, small-sized and lightweight ultrasonic transducer. As a result, it has become possible to use high-performance ultrasonic transducers for detecting proximity sensation in the field of industrial robots and the like. Further, since the ultrasonic transducer of the present invention can be mass-produced by a manufacturing method that matches the conventional silicon IC process technology, the manufacturing cost can be reduced. These effects are remarkable, and the present invention is effective.
第1図は本発明の一実施例の断面図、第2図は本発明の
動作原理を示す概念図、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図は従来の静電型ト
ランスジューサの原理図、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、第8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であ
る。 1,31…酸化膜 2,33…高分子膜 3,4,35,49…電極 5…絶縁ケース 6…ボンディング線 7,38,60…アルミ配
線 8,32…周辺回路 9,30…シリコン基板 10,11…リード 12,37,101…溝 13…金・シリコン共晶合金 22…ダイアフラム 34,61…コンタクト穴 36…溝パターン 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 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。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual diagram showing the operating principle of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing an embodiment of a method for manufacturing the embodiment of the present invention. 4 is a sectional view of a conventional ultrasonic transducer, FIG. 5 is a principle view of a conventional electrostatic transducer, FIGS. 6 and 7 are plan views showing another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic transducer array according to the present invention. 1, 31 ... Oxide film 2, 33 ... Polymer film 3, 4, 35, 49 ... Electrode 5 ... Insulating case 6 ... Bonding wire 7, 38, 60 ... Aluminum wiring 8, 32 ... Peripheral circuit 9, 30 ... Silicon substrate 10, 11 ... Lead 12, 37, 101 ... Groove 13 ... Gold-silicon eutectic alloy 22 ... Diaphragm 34, 61 ... Contact hole 36 ... Groove pattern 41 ... Metal case 42 ... Plastic case 43 ... Protective screen 44, 45 ... Electrode Terminal 46 ... Leaf spring 47 ... Aluminum alloy plate 48 ... Polyester film 51 ... Mechanical element 51a ... Vibration plate 51b ... Fixed plate 52 ... Electrical element 53 ... Bias voltage 54 ... Resistor 55 ... Transmitting and receiving circuit.
Claims (2)
フラムと、当該ダイアフラムとスペーサを介して対向す
る第二の電極により構成される静電型超音波トランスジ
ューサにおいて、前記ダイアフラムが無機絶縁膜および
高分子膜の複合層により、また、前記スペーサがシリコ
ンにより構成されることを特徴とする超音波トランスジ
ューサ。1. An electrostatic ultrasonic transducer comprising a diaphragm having a first electrode on one side of a surface thereof and a second electrode facing the diaphragm via a spacer, wherein the diaphragm is made of an inorganic insulating material. An ultrasonic transducer comprising a composite layer of a film and a polymer film, and the spacer being made of silicon.
フラムと、当該ダイアフラムとスペーサを介して対向す
る第二の電極により構成される静電型超音波トランスジ
ューサにおいて、前記ダイアフラムが無機絶縁膜および
高分子膜の複合層により、また、前記スペーサがシリコ
ンにより構成される超音波トランスジューサを一つの素
子とし、当該素子を同一シリコン基板上に複数個なら
べ、前記第一あるいは第二の電極の少なくとも一方を当
該各素子ごとに分離し、当該各素子の前記ダイアフラム
に当該素子ごとに異なる電圧が印加されるようにした超
音波トランスジューサ。2. In an electrostatic ultrasonic transducer composed of a diaphragm having a first electrode on one side of a surface and a second electrode facing the diaphragm via a spacer, the diaphragm is made of an inorganic insulating material. An ultrasonic transducer composed of a composite layer of a film and a polymer film, and the spacer made of silicon is used as one element, and a plurality of the elements are arranged on the same silicon substrate to form the first or second electrode. An ultrasonic transducer, wherein at least one of the elements is separated for each element, and a different voltage is applied to the diaphragm of each element for each element.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133485A JPH067719B2 (en) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | Ultrasonic transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6133485A JPH067719B2 (en) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | Ultrasonic transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61220598A JPS61220598A (en) | 1986-09-30 |
| JPH067719B2 true JPH067719B2 (en) | 1994-01-26 |
Family
ID=13168131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6133485A Expired - Lifetime JPH067719B2 (en) | 1985-03-26 | 1985-03-26 | Ultrasonic transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH067719B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9143877B2 (en) | 2009-07-24 | 2015-09-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Electromechanical transducer device and method of making the same |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4715236B2 (en) | 2005-03-01 | 2011-07-06 | 株式会社デンソー | Ultrasonic sensor device |
-
1985
- 1985-03-26 JP JP6133485A patent/JPH067719B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9143877B2 (en) | 2009-07-24 | 2015-09-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Electromechanical transducer device and method of making the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61220598A (en) | 1986-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI689461B (en) | Monolithic body of PMUT on CMOS | |
| US7907744B2 (en) | Capacitive vibration sensor and method for manufacturing same | |
| US5920972A (en) | Interconnection method for a multilayer transducer array | |
| WO2020102965A1 (en) | Ultrasonic transducer and electronic device | |
| US6323580B1 (en) | Ferroic transducer | |
| JP2002528887A (en) | Piezoelectric transducer | |
| CN116507580B (en) | Micromechanical components, acoustic transducer devices, and methods for manufacturing micromechanical components | |
| JP2005340961A (en) | Sound wave receiver | |
| WO2019058978A1 (en) | Piezoelectric transducer and piezoelectric module | |
| WO1989005445A1 (en) | An acoustic emission transducer and an electrical oscillator | |
| CN109152568A (en) | Capacitance detecting type ultrasonic transducer and the ultrasonic wave filming apparatus for having it | |
| JPH07121159B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP2545714B2 (en) | Ultrasonic transducer and method of manufacturing the same | |
| JPH067719B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP2009244235A (en) | Ultrasonic array sensor for underwater use | |
| JP2545713B2 (en) | Ultrasonic transducer and manufacturing method thereof | |
| JP3259322B2 (en) | Sound wave transducer | |
| JPH0577240B2 (en) | ||
| JPH0476560B2 (en) | ||
| JPH05672B2 (en) | ||
| JPH0552120B2 (en) | ||
| JPH07121160B2 (en) | Ultrasonic transducer | |
| JPH0547160B2 (en) | ||
| US10206280B2 (en) | Mounting structure, ultrasonic device, ultrasonic probe, ultrasonic apparatus and electronic apparatus | |
| JPH07101960B2 (en) | Ultrasonic transducer mounting housing and mounting method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |