JP2023075501A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤による共振周波数の変化を抑制できる圧電デバイスを提供する。【解決手段】圧電デバイス１は、圧電素子７と圧電素子７に接続される共通端子１２が配置される第一面４ａを含む第一基板４と、制御回路２９に接続される共通接続端子２２が配置される第二面２ａを含む第二基板２と、第一基板４と第二基板２との間に配置され、第一面４ａに接合される第三面３ａと、第二面２ａに対向する第四面３ｂと、を含む第三基板３と、第二基板２と第三基板３とを接着する接着部３２と、を備え、第三基板３は、第三面３ａから第四面３ｂに貫通する第１貫通穴１４と、第１貫通穴１４に設けられ、共通端子１２に接続される第１貫通電極１６と、を備え、共通接続端子２２は、第１貫通電極１６に接続され、第１貫通電極１６を介して共通端子１２と電気的に接続され、第二基板２は第三基板３と対向する第二面２ａに接着剤の流れ出しを抑制する壁部３３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電デバイスに関するものである。

従来、圧電素子がマトリックス状に配置された圧電デバイスが知られている。例えば、開口部を有する封止板と、開口部を閉塞する振動板と、振動板に設置され圧電体を上部電極と下部電極で挟んだ圧電素子と、を備える圧電デバイスが特許文献１に開示されている。

それによると、振動板と封止板とが対向して配置される。封止板は振動板が振動する範囲を制限する。封止板の開口部に囲まれた振動板の大きさにより振動板が振動する周波数が設定される。

封止板には一対の貫通電極が配置される。上部電極及び下部電極はそれぞれ貫通電極と導通する。封止板は配線基板と対向配置される。配線基板はパッドを備える。貫通電極は配線基板側に突出する。パッドと貫通電極とが電気的に接触する。上部電極及び下部電極はそれぞれパッドと導通する。

金属フィラーを含有する樹脂系接着剤により貫通電極が形成される。封止板と配線基板とが絶縁性の接着剤にて接着される。

特開２０２１－１０６１８３号公報

特許文献１の圧電デバイスでは、封止板と配線基板との間に広がる接着剤の範囲にばらつきが生じる。この場合、封止板と配線基板との接着範囲が封止板の剛性に影響を与える。そして、封止板の剛性が振動板の振動特性に影響を与える。このため、封止板と配線基板との間に広がる接着剤の範囲のばらつきが圧電素子及び振動板の共振周波数を変化させる。そこで、接着剤による共振周波数の変化を抑制できる圧電デバイスが望まれていた。

圧電デバイスは、複数の圧電素子と前記圧電素子に接続される第一電極とが配置される第一面を含む第一基板と、制御回路に接続される第二電極が配置される第二面を含む第二基板と、前記第一基板と前記第二基板との間に配置され、前記第一面に接合される第三面と、前記第二面に対向する第四面と、を含む第三基板と、前記第二基板と前記第三基板を接着する接着部と、を備え、前記第三基板は、前記第三面から前記第四面に貫通する貫通穴と、前記貫通穴に設けられ、前記第一電極に接続される第三電極とを備え、前記第二電極は、前記第三電極に接続され、前記第三電極を介して前記第一電極と電気的に接続されており、前記第二基板は前記第三基板と対向する前記第二面に接着剤の流れ出しを抑制する壁部を備える。

第１実施形態における圧電デバイスの構成を示す概略分解斜視図。 圧電デバイスの構成を示す模式側断面図。 圧電デバイスの構成を示す模式側断面図。 第一基板の構成を示す模式平面図。 貫通電極の構成を示す模式側断面図。 圧電デバイスの構成を示す模式側断面図。 接着剤及び壁部を説明するための要部模式側断面図。

第１実施形態
本実施形態では、圧電デバイスの特徴的な例について説明する。

図１に示すように、圧電デバイス１では第二基板２、第三基板３、第一基板４、第四基板５がこの順にＺ方向に重ねられる。Ｚ方向において第四基板５側をＺ正方向とし、第二基板２側をＺ負方向とする。Ｚ正方向に沿う方向を第一方向６とする。第一方向６は第一基板４、第三基板３、第二基板２の積層方向である。

第一方向６から見て第二基板２、第三基板３、第一基板４、第四基板５は長方形である。第二基板２、第三基板３、第一基板４、第四基板５の長手方向は同じ方向である。第三基板３、第一基板４、第四基板５は同じ形状である。第二基板２は第三基板３、第一基板４、第四基板５より大きい。

第二基板２の長手方向をＸ方向とする。第二基板２の短手方向をＹ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交する。

第一基板４は第三基板３を向く側に第一面４ａを含む。第一面４ａには複数の圧電素子７がマトリックス状に配置される。圧電素子７に交流電圧を印加することにより、圧電デバイス１は第一基板４を振動させて超音波を射出することができる。第一基板４は振動板ともいう。複数の圧電素子７は配列して配置される素子アレイ８を構成する。

圧電素子７の個数は特に限定されない。本実施形態では、例えば、圧電素子７は４行４列の配列を構成しているので、圧電素子７の個数は１６個である。

第四基板５はＹ方向に長い第四穴９を４つ備える。第一方向６から見て第四穴９の形状は平行四辺形である。第四基板５はシリコン単結晶基板から形成される。第四穴９はウエットエッチング法にて形成される。第四穴９の側面はエッチング速度の遅い結晶面になる。シリコン単結晶基板ではエッチング速度の遅い結晶面が平行四辺形であるので、第四穴９の形状は平行四辺形となっている。第四穴９は第四基板５を貫通する。第四穴９は圧電素子７の配列と対向する場所に配置される。尚、第四穴９の個数は特に限定されない。

第三基板３は第一基板４と第二基板２との間に配置される。第三基板３は第三面３ａ及び第四面３ｂを有する。第三面３ａはＺ正方向を向く。第四面３ｂはＺ負方向を向く。第三面３ａが第一基板４の第一面４ａに接合される。第三基板３は第三面３ａにＸ方向に長い封止空間としての第二溝１１を４つ備える。第一方向６から見て第二溝１１の形状は平行四辺形である。第三基板３はシリコン単結晶基板から形成される。第二溝１１はウエットエッチング法にて形成される。このため、第二溝１１の形状は平行四辺形になっている。第二溝１１は圧電素子７の配列と対向する場所に配置される。

第一方向６から見て、第四穴９と第二溝１１とが交差する場所に圧電素子７が配置される。このため、圧電素子７が配置された場所では第一基板４がＺ正方向及びＺ負方向に振動することができる。

第一基板４と第四基板５とは一体となっている。第一基板４の材質は酸化シリコンであり、第一基板４は第四基板５を酸化して形成される。

第一基板４の第一面４ａには第一電極としての共通端子１２及び第一電極としての駆動端子１３が配置される。共通端子１２及び駆動端子１３は圧電素子７と電気的に接続される。

第三基板３は、共通端子１２に対応する位置に第三面３ａから第四面３ｂにかけて貫通する貫通穴としての第１貫通穴１４を有する。第三基板３は、駆動端子１３に対応する位置に第三面３ａから第四面３ｂにかけて貫通する貫通穴としての第２貫通穴１５を有する。第三基板３の厚みは約４００μｍである。

第三基板３の第１貫通穴１４には共通端子１２のＺ負方向側に第三電極としての第１貫通電極１６が設けられる。第１貫通電極１６は共通端子１２と導通する。第三基板３の第２貫通穴１５には駆動端子１３のＺ負方向側に第三電極としての第２貫通電極１７が設けられる。第２貫通電極１７は駆動端子１３と導通する。

第三基板３は第二溝１１のＸ正方向側に開放穴１８を備える。開放穴１８は第三面３ａから第四面３ｂまで貫通する。開放穴１８と第二溝１１とは第１連通溝１９により繋がる。４つの第二溝１１は互いに第２連通溝２１により繋がる。

第三基板３と第一基板４とは接着固定される。第二溝１１は開放穴１８、第１連通溝１９及び第２連通溝２１と繋がるので、密閉されない。第一基板４が振動するとき、第二溝１１内の空気は外気と繋がるので気圧が変動し難い。このため、第一基板４は振動し易くなっている。

第二基板２は第三基板３の第四面３ｂと対向する第二面２ａを含む。第二基板２の第二面２ａには第１貫通電極１６と対応する場所に第二電極としての共通接続端子２２が配置される。共通接続端子２２は、第１貫通電極１６に接続され、第１貫通電極１６を介して共通端子１２と電気的に接続されている。第二基板２の第二面２ａには第２貫通電極１７と対応する場所に第二電極としての駆動接続端子２３が配置される。駆動接続端子２３は、第２貫通電極１７に接続され、第２貫通電極１７を介して駆動端子１３と電気的に接続されている。共通接続端子２２及び駆動接続端子２３に電力を供給することにより、圧電素子７に電力を供給することができる。第三基板３と第二基板２とはフリップチップ実装されている。

第二基板２は共通接続端子２２のＸ負方向側に外部共通端子２４を備える。外部共通端子２４と共通接続端子２２とは共通接続配線２５により電気的に接続される。第二基板２は駆動接続端子２３のＸ負方向側に外部駆動端子２６を備える。外部駆動端子２６と駆動接続端子２３とは駆動接続配線２７により電気的に接続される。

外部共通端子２４及び外部駆動端子２６は外部配線２８により制御回路２９と電気的に接続される。従って、共通接続端子２２及び駆動接続端子２３は制御回路２９と電気的に接続される。

共通接続配線２５及び駆動接続配線２７はレジスト３１に覆われる。共通接続端子２２、駆動接続端子２３、外部共通端子２４及び外部駆動端子２６はレジスト３１に覆われないで露出する。共通接続端子２２は第１貫通電極１６と導通する。駆動接続端子２３は第２貫通電極１７と導通する。

圧電デバイス１は第二基板２の第二面２ａに第二基板２と第三基板３とを接着する接着部３２を備える。接着部３２は接着部としての第１接着部３２ａ及び第２接着部３２ｂを備える。第一方向６から見て第三基板３のＸ正方向側の端におけるＹ正方向側の角とＹ負方向側の角と重なる場所の第二基板２には第２接着部３２ｂが配置される。第三基板３のＸ負方向側の端に対応する第二基板２には第１貫通電極１６及び第２貫通電極１７の周りに第１接着部３２ａが配置される。共通接続端子２２及び駆動接続端子２３はそれぞれ第１貫通電極１６及び第２貫通電極１７と対向する。従って、共通接続端子２２及び駆動接続端子２３の周りに第１接着部３２ａが配置される。第１接着部３２ａと第２接着部３２ｂとが離れているので、接着により第三基板３が撓むことが抑制される。

第二基板２及び第三基板３の組み立て工程では、接着部３２が形成される場所に接着剤が塗布される。接着剤は第二基板２及び第三基板３のいずれか一方に塗布される。第二基板２及び第三基板３により接着剤が挟まれる。第１貫通電極１６と共通接続端子２２とが互いに押圧される。第２貫通電極１７と駆動接続端子２３とが互いに押圧される。第１貫通電極１６、第２貫通電極１７、共通接続端子２２及び駆動接続端子２３に押されて接着剤が広がる。第二基板２は第三基板３と対向する第二面２ａに接着剤の流れ出しを抑制する壁部３３を備える。壁部３３により接着剤が広がることが抑制される。接着剤は非導通性である。非導通性接着剤はＮＣＰ（Ｎｏｎ－Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）という。接着剤は固化されて接着部３２になる。

この構成によれば、第二基板２は壁部３３を備える。第二基板２と第三基板３とを接着するとき、第二基板２に接着剤が塗布される。壁部３３により接着剤の流出が抑えられる。接着部３２では接着剤により第二基板２と第三基板３とが接着固定される。圧電デバイス１の平面視で素子アレイ８と重なる領域まで接着剤が流出するとき、接着により第三基板３に内部応力が生じるので、圧電デバイス１の共振周波数に影響を与える。壁部３３が配置されている為、圧電デバイス１の平面視で素子アレイ８と重なる領域まで接着剤が及ばない。従って、圧電デバイス１は接着剤による共振周波数の変化を抑制できる。

壁部３３はレジスト３１である。この構成によれば、第二基板２には共通接続端子２２及び駆動接続端子２３が配置される。共通接続端子２２から外部共通端子２４に続く共通接続配線２５が接続される。駆動接続端子２３から外部駆動端子２６に続く駆動接続配線２７が接続される。共通接続配線２５及び駆動接続配線２７はレジスト３１により被膜される。壁部３３はレジスト３１である為、壁部３３と共通接続配線２５及び駆動接続配線２７の被膜であるレジスト３１とを同時に形成できる。従って、壁部３３と共通接続配線２５及び駆動接続配線２７のレジスト３１とを別の工程で形成するときに比べて生産性良く圧電デバイス１を製造することができる。

図２は図１のＡＡ線に沿う断面を見た図である。図３は図１のＢＢ線に沿う断面を見た図である。図２及び図３に示すように第一方向６から見て第四穴９と第二溝１１とが交差する場所に圧電素子７が配置される。圧電素子７は第一基板４の第一面４ａに配置される。圧電素子７は第一面４ａからＺ負方向に重ねて配置される駆動電極７ａ、圧電膜７ｂ、共通電極７ｃにより構成される。

圧電膜７ｂは、例えば、ペロブスカイト構造を有する遷移金属酸化物を用いて形成される。具体的には圧電膜７ｂはＰｂ、Ｔｉ及びＺｒを含むチタン酸ジルコン酸鉛を用いて形成される。

複数の駆動電極７ａはＸ方向に延在する駆動配線３４と導通する。駆動電極７ａと駆動配線３４とは同じ材質である。複数の共通電極７ｃはＹ方向に延在する共通配線３５と導通する。共通電極７ｃと共通配線３５とは同じ材質である。

第一基板４及び圧電素子７により超音波トランスデューサー３６が構成される。駆動電極７ａ及び共通電極７ｃは制御回路２９と電気的に接続される。共通電極７ｃは、所定の基準電位に維持されている。そして、駆動電極７ａに駆動パルス信号が入力されることで、圧電素子７が変形して第一基板４が振動する。これにより、超音波トランスデューサー３６はＺ正方向側に超音波を送信する。圧電デバイス１のＺ正方向側に物体があるとき、超音波は物体にて反射される。反射した超音波が第四基板５の第四穴９を通って超音波トランスデューサー３６に到達すると、超音波の音圧に応じて第一基板４が振動する。第一基板４の振動によって圧電膜７ｂが変形して、駆動電極７ａ及び共通電極７ｃの間で電位差が発生する。これにより、超音波トランスデューサー３６の駆動電極７ａから、受信する超音波の音圧に応じた受信信号が出力される。つまり、超音波が検出される。

図４は第一基板４を第三基板３側から見た図である。図４に示すように、第一面４ａにはＸ方向に延在する４本の駆動配線３４が配置される。各駆動配線３４はＸ負方向側で統合されて駆動端子１３と電気的に接続される。第一面４ａにはＹ方向に延在する４本の共通配線３５が配置される。各共通配線３５はＹ負方向側で統合されて共通端子１２と電気的に接続される。

素子アレイ８が配置される領域をアレイ領域３７とする。アレイ領域３７を囲む領域を非アレイ領域３８とする。非アレイ領域３８には共通端子１２及び駆動端子１３が配置される。

制御回路２９から外部共通端子２４に出力される信号は共通接続配線２５、共通接続端子２２、第１貫通電極１６、共通端子１２、共通配線３５を通って共通電極７ｃに供給される。制御回路２９から外部駆動端子２６に出力される信号は駆動接続配線２７、駆動接続端子２３、第２貫通電極１７、駆動端子１３、駆動配線３４を通って駆動電極７ａに供給される。制御回路２９は圧電素子７と電気的に接続される。制御回路２９は圧電素子７に駆動信号を出力する。

図５は図１のＣＣ線に沿う断面を見た図である。図５に示すように、第１貫通電極１６は共通端子１２及び共通接続端子２２を電気的に接続する。第２貫通電極１７は駆動端子１３及び駆動接続端子２３を電気的に接続する。

第二基板２は第三基板３の第四面３ｂと対向して配置される。第二基板２は第１貫通電極１６と導通する共通接続端子２２を有する。第二基板２は第２貫通電極１７と導通する駆動接続端子２３を有する。共通接続端子２２及び駆動接続端子２３に電力を供給することにより、圧電素子７に電力が供給される。

第１貫通電極１６及び第２貫通電極１７は、導電性の樹脂系接着剤を加熱乾燥して固化したもので構成される。具体的には、第１貫通電極１６及び第２貫通電極１７は銀フィラーを含有する樹脂である。樹脂系接着剤には、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂系の接着剤が用いられる。尚、共通接続端子２２及び駆動接続端子２３上に銀バンプを形成しても良い。第１貫通電極１６と共通接続端子２２との密着性を向上することができる。第２貫通電極１７と駆動接続端子２３との密着性を向上することができる。

図６は図１のＤＤ線に沿う断面を見た図である。図６に示すように、第一基板４と第三基板３との間には第一基板４の振動を可能にする第二溝１１が配置される。第三基板３は第二溝１１と第四面３ｂとを連通する開放穴１８を備える。壁部３３は第１貫通穴１４及び第２貫通穴１５と開放穴１８との間に配置される。

この構成によれば、壁部３３が接着剤の流れを抑制する。従って、圧電デバイス１の平面視で開放穴１８まで接着剤の流れが届かない。開放穴１８が塞がるとき第一基板４の振動が第二溝１１内の気圧を変動させる。このため、第一基板４の振動が抑制されて共振周波数が変化する。本実施形態の圧電デバイス１は開放穴１８に接着剤が入ることによる共振周波数の変化を抑制できる。

第一方向６からの平面視において、壁部３３は、第１貫通穴１４及び第２貫通穴１５と素子アレイ８との間に配置される。アレイ領域３７まで接着剤が広がるとき、第三基板３の剛性が高くなる。このため、圧電デバイス１の共振周波数が変わる。図７に示すように、接着部３２における接着剤の量が多いとき、接着剤は壁部３３まで到達する。そして、壁部３３が接着剤の流れを留める。そして、接着剤が広がることを壁部３３が抑制する。

この構成によれば、壁部３３が接着剤の流れを抑制する。従って、第一基板４、第二基板２、第三基板３が積層する第一方向６からの平面視において、素子アレイ８と重なるアレイ領域３７まで接着剤が及ばない。従って、圧電デバイス１は接着剤による共振周波数の変化を抑制できる。

１…圧電デバイス、２…第二基板、２ａ…第二面、３…第三基板、３ａ…第三面、３ｂ…第四面、４…第一基板、４ａ…第一面、７…圧電素子、８…素子アレイ、１１…封止空間としての第二溝、１２…第一電極としての共通端子、１３…第一電極としての駆動端子、１４…貫通穴としての第１貫通穴、１５…貫通穴としての第２貫通穴、１６…第三電極としての第１貫通電極、１７…第三電極としての第２貫通電極、１８…開放穴、２２…第二電極としての共通接続端子、２３…第二電極としての駆動接続端子、２９…制御回路、３２…接着部、３３…壁部。

Claims (4)

1. 複数の圧電素子と前記圧電素子に接続される第一電極とが配置される第一面を含む第一基板と、
   制御回路に接続される第二電極が配置される第二面を含む第二基板と、
   前記第一基板と前記第二基板との間に配置され、前記第一面に接合される第三面と、前記第二面に対向する第四面と、を含む第三基板と、
   前記第二基板と前記第三基板を接着する接着部と、を備え、
   前記第三基板は、前記第三面から前記第四面に貫通する貫通穴と、前記貫通穴に設けられ、前記第一電極に接続される第三電極とを備え、
   前記第二電極は、前記第三電極に接続され、前記第三電極を介して前記第一電極と電気的に接続されており、
   前記第二基板は前記第三基板と対向する前記第二面に接着剤の流れ出しを抑制する壁部を備えることを特徴とする圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスであって、
   前記複数の圧電素子は配列して配置される素子アレイを構成し、前記第一基板、前記第二基板、前記第三基板の積層方向からの平面視において、前記壁部は、前記貫通穴と前記素子アレイとの間に配置されることを特徴とする圧電デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の圧電デバイスであって、
   前記第一基板と前記第三基板との間には前記第一基板の振動を可能にする封止空間が配置され、
   前記第三基板は前記封止空間と前記第四面とを連通する開放穴を備え、
   前記壁部は前記貫通穴と前記開放穴との間に配置されることを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電デバイスであって、
   前記壁部はレジストであることを特徴とする圧電デバイス。

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