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WO2022219717A1 - 超音波トランスデューサ、測距装置および超音波トランスデューサの製造方法 - Google Patents

超音波トランスデューサ、測距装置および超音波トランスデューサの製造方法 Download PDF

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WO2022219717A1
WO2022219717A1 PCT/JP2021/015312 JP2021015312W WO2022219717A1 WO 2022219717 A1 WO2022219717 A1 WO 2022219717A1 JP 2021015312 W JP2021015312 W JP 2021015312W WO 2022219717 A1 WO2022219717 A1 WO 2022219717A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diaphragm
ultrasonic transducer
housing
piezoelectric element
internal space
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/015312
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佳敬 梶山
伸顕 紺野
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to JP2023514223A priority Critical patent/JPWO2022219717A1/ja
Priority to US18/283,467 priority patent/US20240179452A1/en
Priority to CN202180096822.2A priority patent/CN117157992A/zh
Priority to PCT/JP2021/015312 priority patent/WO2022219717A1/ja
Publication of WO2022219717A1 publication Critical patent/WO2022219717A1/ja

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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
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    • H04R7/00—Diaphragms for electromechanical transducers; Cones
    • H04R7/16—Mounting or tensioning of diaphragms or cones
    • H04R7/18—Mounting or tensioning of diaphragms or cones at the periphery
    • H04R7/20—Securing diaphragm or cone resiliently to support by flexible material, springs, cords, or strands

Definitions

  • the present disclosure relates to an ultrasonic transducer, a rangefinder, and a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
  • Ultrasonic transducers are used as distance sensors for applications in automotive and vehicle perimeter monitoring and contactless operation of devices.
  • Bulk lead zirconate titanate (PZT: Pb(Zr, Ti)O 3 ) is often used for ultrasonic transducers that are commonly used.
  • PZT Pb(Zr, Ti)O 3
  • miniaturization of ultrasonic transducers using bulk PZT is limited by machining accuracy.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the most common MEMS ultrasonic transducer uses a thin-film diaphragm (membrane).
  • Silicon which is a semiconductor, is used as a material for the structure of the MEMS ultrasonic transducer including the diaphragm.
  • the MEMS ultrasonic transducer is processed by semiconductor technology such as deep reactive ion etching (DRIE), for example.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • Patent Document 1 describes a sound source tracking microphone (ultrasonic transducer) including a MEMS microphone and an acoustic resonance structure.
  • the acoustically resonant structure has a cavity and a sound entrance passageway.
  • the acoustically resonant structure is configured such that sound entering the acoustically resonant structure is amplified by the cavity and the entrance passageway.
  • the MEMS microphone is arranged in the cavity of the acoustic resonance structure. Therefore, it is necessary to form the acoustic resonant structure after the microphone is placed in the cavity of the acoustic resonant structure. Therefore, it is difficult to manufacture the acoustic resonance structure with high precision. Therefore, the dimensional accuracy of the acoustic resonance structure is lowered.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an ultrasonic transducer, a distance measuring device, and a method for manufacturing an ultrasonic transducer that can suppress a decrease in dimensional accuracy of an acoustic resonance structure. It is to be.
  • the ultrasonic transducer of the present disclosure includes a diaphragm and a housing.
  • the diaphragm can vibrate.
  • the housing is connected to the diaphragm.
  • the diaphragm is provided with an opening.
  • the housing is provided with an internal space. The internal space communicates with the opening.
  • the diaphragm and the housing constitute an acoustic resonance structure in which the ultrasonic waves generated by the vibration of the diaphragm are amplified by the opening and the internal space, and are integrally constructed.
  • the ultrasonic transducer of the present disclosure it is possible to suppress deterioration in the dimensional accuracy of the acoustic resonance structure.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1;
  • 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode are laminated on a substrate used for manufacturing the ultrasonic transducer according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an opening is provided in the substrate used for manufacturing the ultrasonic transducer according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an internal space is provided in the substrate used for manufacturing the ultrasonic transducer according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 7 is a perspective view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a top view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view along line VIII-VIII of FIG. 6;
  • FIG. 10 is an end view schematically showing a state in which the central portion and beams of the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 are moved away from the bottom portion of the housing;
  • FIG. 10 is an end view schematically showing a state in which the central portion and beams of the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 are moved closer to the bottom portion of the housing;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a first substrate used for manufacturing an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state in which openings and slits are provided in a first substrate used for manufacturing an ultrasonic transducer according to a second embodiment;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a second substrate used for manufacturing an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an internal space is provided in a second substrate used for manufacturing an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the first substrate and the second substrate used for manufacturing the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 are bonded;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a fifth silicon layer is removed from the first substrate and the second substrate used for manufacturing the ultrasonic transducer according to the second embodiment;
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a lower electrode, a piezoelectric thin film and an upper electrode are laminated on a first substrate used for manufacturing an ultrasonic transducer according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a top view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view schematically showing how beams of an ultrasonic transducer according to Embodiment 3 are deformed;
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view schematically showing how beams of the ultrasonic transducer according to Embodiment 2 are deformed;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 4;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 5;
  • FIG. 12 is a top view schematically showing the configuration of an ultrasonic transducer according to Embodiment 6;
  • FIG. 12 is a schematic diagram schematically showing the configuration of a distance measuring device according to Embodiment 7;
  • Embodiment 1 The configuration of an ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 A diagrammatic representation of an ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the ultrasonic transducer 100 includes a housing 1 and a diaphragm 2.
  • the ultrasonic transducer 100 according to this embodiment further includes the first piezoelectric element 3 .
  • the side surface of the first piezoelectric element 3 is shown flat in FIG. 1, but the side surface of the first piezoelectric element 3 is provided with a step as shown in FIG.
  • the housing 1 is connected to the diaphragm 2.
  • the housing 1 is provided with an internal space IS.
  • the housing 1 includes a first silicon layer 51 and a first oxide film 41 .
  • the first silicon layer 51 has a peripheral wall portion 11 and a bottom portion 12 .
  • the boundary between the peripheral wall portion 11 and the bottom portion 12 is indicated by a broken line.
  • the peripheral wall portion 11 is connected to the bottom portion 12 so as to rise from the bottom portion 12 .
  • the peripheral wall portion 11 surrounds the internal space IS.
  • the bottom portion 12 and the diaphragm 2 sandwich an internal space IS.
  • the first oxide film 41 is laminated on the peripheral wall portion 11 .
  • First oxide film 41 is sandwiched between peripheral wall portion 11 and diaphragm 2 .
  • the outer shape of the housing 1 may be a rectangular parallelepiped or a cylindrical shape.
  • the diaphragm 2 is connected to the housing 1 so as to cover the internal space IS. This structure is sometimes called a cavity structure.
  • the diaphragm 2 is provided with an opening OP.
  • the opening OP penetrates the diaphragm 2 .
  • the opening OP is provided so as to pass through the center of the diaphragm 2 in the in-plane direction.
  • the internal space IS communicates with the opening OP.
  • the shape of the opening OP may be circular or rectangular.
  • the diaphragm 2 can vibrate. Specifically, the diaphragm 2 can be vibrated by the first piezoelectric element 3 . Diaphragm 2 is configured to generate ultrasonic waves by vibration. The principle by which the diaphragm 2 generates ultrasonic waves will be described later.
  • the diaphragm 2 includes a second silicon layer 52 and a second oxide film 42 .
  • the opening OP penetrates the second silicon layer 52 and the second oxide film 42 .
  • the second silicon layer 52 is laminated on the first oxide film 41 .
  • a second oxide film 42 is laminated on the second silicon layer 52 .
  • the housing 1 and the diaphragm 2 constitute an acoustic resonance structure in which the ultrasonic waves generated by the vibration of the diaphragm 2 are amplified by the opening OP and the internal space IS.
  • the acoustic resonance structure is integrally constructed.
  • the acoustically resonant structure may be, for example, a Helmholtz resonator. The acoustic resonance structure will be described later in detail.
  • the housing 1 and diaphragm 2 are integrally constructed. In other words, the housing 1 and diaphragm 2 are connected without any gap. More specifically, the first oxide film 41 of the housing 1 and the second silicon layer 52 of the diaphragm 2 are connected without gaps.
  • "integrally configured" and “connected without gaps” mean that they are connected by atomic unit or molecular unit bonds such as covalent bonds.
  • the housing 1 and diaphragm 2 are integrally constructed by MEMS technology. A method of manufacturing the housing 1 and diaphragm 2 using MEMS technology will be described later.
  • the materials of the peripheral wall portion 11 and the bottom portion 12 (first silicon layer 51) of the housing 1 and the second silicon layer 52 of the diaphragm 2 are easy to apply semiconductor manufacturing technology and have excellent mechanical properties as elastic materials.
  • the material silicon (Si) is desirable.
  • the first oxide film 41 and the second oxide film 42 are, for example, silicon (Si) oxide films.
  • the first piezoelectric element 3 is connected to the diaphragm 2 .
  • the first piezoelectric element 3 is arranged on the diaphragm 2 .
  • the first piezoelectric element 3 is arranged on the second oxide film 42 of the vibration plate 2 .
  • the first piezoelectric element 3 is arranged on the opposite side of the diaphragm 2 to the internal space IS. In other words, the first piezoelectric element 3 is arranged outside the internal space IS.
  • the first piezoelectric element 3 has an annular shape.
  • the first piezoelectric element 3 is arranged so as to expose the opening OP.
  • the first piezoelectric element 3 is configured as an actuator for vibrating the diaphragm 2 .
  • the first piezoelectric element 3 is configured to vibrate the diaphragm 2 when transmitting ultrasonic waves.
  • the first piezoelectric element 3 is configured as a strain sensor for measuring the strain of the diaphragm 2 .
  • the first piezoelectric element 3 is configured to function as a strain sensor for the diaphragm 2 when receiving ultrasonic waves. Thereby, the vibration of the diaphragm 2 is measured when the ultrasonic wave is received.
  • the ultrasonic transducer 100 is configured to apply voltage to the first piezoelectric element 3 .
  • a power source (not shown) may be electrically connected to the first piezoelectric element.
  • the first piezoelectric element 3 includes a lower electrode 3A, a piezoelectric thin film 3B, and an upper electrode 3C.
  • the lower electrode 3A and the upper electrode 3C sandwich the piezoelectric thin film 3B.
  • Lower electrode 3A is arranged on diaphragm 2 .
  • the piezoelectric thin film 3B is arranged on the side opposite to the internal space IS with respect to the lower electrode 3A.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C have larger outer diameters in this order.
  • the material of the piezoelectric thin film 3B is, for example, lead zirconate titanate (PZT: Pb(Zr, Ti)O 3 ), aluminum nitride (AlN), sodium potassium niobate (KNN: (K, Na)NbO 3 ), or the like.
  • PZT lead zirconate titanate
  • AlN aluminum nitride
  • KNN sodium potassium niobate
  • the material of the lower electrode 3A and the upper electrode 3C is a laminated film of a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film generally used for piezoelectric elements.
  • the material of the lower electrode 3A and the upper electrode 3C may be another laminated film as long as it has sufficient conductivity as an electrode and has good adhesion to the base or the like.
  • an oxide electrode film such as a strontium oxide (SrO) film having the effect of reducing polarization fatigue may be arranged between the upper electrode 3C and the piezoelectric
  • the operation of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 1 will be described.
  • the piezoelectric thin film 3B contracts.
  • the vibration plate 2 bends due to the contraction of the piezoelectric thin film 3B.
  • a voltage having a frequency close to the resonance frequency of diaphragm 2 is applied to piezoelectric thin film 3B, diaphragm 2 vibrates due to resonance vibration.
  • the frequency close to the resonance frequency of the diaphragm 2 means the range in which the vibration displacement of the diaphragm 2 is 2 -1/2 times or more and 2 1/2 times or less of the maximum displacement (peak displacement). is the frequency of Ultrasonic waves are thereby generated.
  • the vibration of the diaphragm 2 vibrated by the ultrasonic waves is acquired as a voltage signal via the first piezoelectric element 3 .
  • the dimensions of the internal space IS of the housing 1 and the opening OP of the diaphragm 2 are set so that the resonance frequency of the housing 1 and the resonance frequency of the diaphragm 2 are close to each other.
  • the resonance frequency of the housing 1 and the resonance frequency of the diaphragm 2 approaching each other means that the resonance frequency of the housing 1 is equal to the vibration displacement of the diaphragm 2 being 2-1/ 2 of the maximum displacement. It means that the frequency is set within the range of 2 1/2 times or more.
  • the resonance frequency of the acoustic resonance structure is the diameter D1 of the internal space IS, the diameter D2 of the opening OP, the height L1 of the internal space IS, the height L2 of the opening OP, the aperture correction a, and the in-plane direction of the aperture OP.
  • the area S m and the volume V c of the internal space IS it is represented by the following equation (1).
  • the in-plane area Sm of the opening OP is represented by the following formula (2).
  • the volume Vc of the internal space IS is represented by the following equation (3).
  • the ultrasonic transducer 100 when used as an ultrasonic sensor, the sound pressure of the received ultrasonic waves is amplified by acoustic resonance, thereby increasing the vibration of the diaphragm 2 . As a result, the distortion of the first piezoelectric element 3 is increased, so that an amplified signal is obtained.
  • a substrate 9 is prepared.
  • the substrate 9 is an SOI substrate (SOI: Silicon On Insulator).
  • the ultrasonic transducer 100 according to this embodiment is manufactured by processing an SOI substrate.
  • the substrate 9 includes, for example, a first silicon layer 51, a second silicon layer 52, a first oxide film 41 and a second oxide film .
  • the thickness of the first silicon layer 51 is, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the thickness of the second silicon layer 52 is, for example, 100 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
  • the second oxide film 42 is configured as a surface oxide film. Thermal oxidation is suitable for forming the second oxide film 42 because it can reduce surface roughness.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C are formed on the second oxide film 42 in order.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C are deposited by a sputtering method or a CSD method (CSD: Chemical Solution Deposition).
  • the thickness of the lower electrode 3A and the upper electrode 3C is, for example, 0.1 ⁇ m.
  • the thickness of the piezoelectric thin film 3B is, for example, 1 ⁇ m or more and 9 ⁇ m or less.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B, the upper electrode 3C, the second oxide film 42 and the second silicon layer 52 are patterned.
  • a photolithographic technique using a resist film as a protective film is suitable for patterning the upper electrode 3C.
  • Reactive ion etching RIE: Reactive Ion Etching
  • photoetching using an etchant is used for etching the upper electrode 3C.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • the laminated film is patterned by reactive ion etching. is preferably a chlorine (Cl 2 )/argon (Ar) based gas.
  • the piezoelectric thin film 3B is patterned by photolithography and etching.
  • the etching process is, for example, reactive ion etching process or wet etching process. In the etching process, it is necessary to set conditions for obtaining a sufficient etching selectivity between the piezoelectric thin film 3B and the underlying layer.
  • a laminated film of titanium (Ti) film and platinum (Pt) film and PZT may be used as the lower electrode 3A and the piezoelectric thin film 3B, respectively, and the laminated film may be patterned by a reactive ion etching process.
  • chlorine (Cl 2 ), boron chloride (BCl 2 ), and hydrogen chloride (CH 4 ) based gases are suitable.
  • the resist film is removed by an oxygen (O 2 ) ashing process or the like.
  • the lower electrode 3A is patterned by photolithography and etching.
  • the etching process is, for example, reactive ion etching process or wet etching process. In the etching process, it is necessary to set conditions under which a sufficient etching selectivity can be obtained between the lower electrode 3A and the underlying layer. For example, when a laminated film of a titanium (Ti) film and a platinum (Pt) film is used as the lower electrode 3A and the laminated film is patterned by a reactive ion etching process, chlorine (Cl 2 )/argon (Ar)-based gases are preferred. After patterning the lower electrode 3A, the resist film is removed by an oxygen (O 2 ) ashing process or the like.
  • O 2 oxygen
  • the second oxide film 42 formed on the second silicon layer 52 is patterned by photolithography and etching.
  • the etching process is, for example, reactive ion etching process or wet etching process.
  • a chlorine (Cl 2 -based) gas is suitable.
  • the second silicon layer 52 is subjected to an etching process.
  • an opening OP is formed in diaphragm 2 (second silicon layer 52).
  • the etching process is preferably a deep reactive ion etching (DRIE) process, for example. Deep etching is performed by the Bosch method, which allows etching processes with high aspect ratios. The etching process is performed until the first oxide film 41 is exposed. After the etching process, the resist film is removed by an oxygen (O 2 ) ashing process or the like.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • the first silicon layer 51 is patterned by photolithography and etching.
  • the internal space IS is formed in the housing 1 (see FIG. 2) (first silicon layer 51).
  • the etching process is, for example, reactive ion etching process or wet etching process.
  • the etching process is deep etching by the Bosch method (DRIE).
  • DRIE Bosch method
  • the etching process is performed until the first oxide film 41 is exposed.
  • the exposed first oxide film 41 is removed by an etching process.
  • the etching process for the first oxide film 41 is reactive ion etching process or wet etching process.
  • a chlorine (Cl 2 )-based gas is suitable.
  • a second substrate which is a silicon substrate, is bonded to the substrate 9, as shown in FIGS.
  • the second substrate becomes the bottom 12 of the housing 1 .
  • Surface activation bonding or normal temperature activation bonding is used for bonding the substrate 9 and the second substrate.
  • the housing 1 and the diaphragm 2 are integrally formed from the substrate by the MEMS manufacturing technology. Further, the housing 1 and the diaphragm 2 are formed so as to constitute an acoustic resonance structure in which the sound generated by the vibration of the diaphragm 2 is amplified by the opening OP and the internal space IS.
  • the MEMS ultrasonic transducer 100 is completed by cutting the substrate into chip sizes by dicing.
  • the substrate 9 is not limited to this.
  • a CSOI substrate CSOI: Cavity Silicon On Insulator
  • the first piezoelectric element 3 and the opening OP are formed on the hollow structure, the patterning step of the second silicon layer 52 and the bonding step of the second substrate may not be performed. . Therefore, the ultrasonic transducer 100 can be manufactured more easily.
  • the housing 1 and the diaphragm 2 form an acoustic resonance structure and are integrally formed. Therefore, the acoustic resonance structure can be manufactured with high precision. Specifically, the acoustic resonance structure can be manufactured with higher accuracy than when the housing 1 and the diaphragm 2 are separate bodies. In particular, the acoustic resonance structure can be manufactured with higher accuracy than when the acoustic resonance structure is manufactured by fitting the housing 1 and the diaphragm 2 which are separate bodies. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the dimensional accuracy of the acoustic resonance structure. In other words, it is possible to improve the dimensional accuracy of the acoustic resonance structure.
  • the first piezoelectric element 3 is connected to the diaphragm 2. Therefore, the diaphragm 2 can be vibrated by the first piezoelectric element 3 . Moreover, the distortion of the diaphragm 2 can be measured by the first piezoelectric element 3 . Therefore, the frequency of ultrasonic waves received by the acoustic resonance structure can be measured based on the distortion of the diaphragm 2 .
  • the housing 1 and diaphragm 2 are integrally constructed by MEMS manufacturing technology. Therefore, the acoustic resonance structure can be manufactured with high precision.
  • the acoustic resonance structure can be manufactured with dimensional accuracy within an error range of 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the housing 1 and the diaphragm 2 are integrally manufactured from the substrate 9 by MEMS manufacturing technology. Therefore, the acoustic resonance structure can be manufactured with high accuracy. Specifically, the acoustic resonance structure can be manufactured with higher accuracy than when the housing 1 and the diaphragm 2 are separate bodies. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the dimensional accuracy of the acoustic resonance structure.
  • the housing 1 and the diaphragm 2 are integrally formed from the substrate 9 by MEMS manufacturing technology. Therefore, for example, the cost of assembling the ultrasonic transducer 100 can be reduced as compared with the case where the housing 1 and the diaphragm 2 are individually manufactured and assembled by fitting them together. Further, for example, a precise assembly process is not required as compared with the case where the housing 1 and the diaphragm 2 are individually manufactured and assembled by fitting them together. Therefore, the acoustic resonance structure can be easily manufactured.
  • Embodiment 2 Next, the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. 6 to 10.
  • FIG. The second embodiment has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of the first embodiment unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the above-described first embodiment, and description thereof will not be repeated.
  • the diaphragm 2 of the ultrasonic transducer 100 includes a central portion 21, an outer peripheral portion 22, and beams 6.
  • a first piezoelectric element 3 is connected to the central portion 21 .
  • the central portion 21 is configured to vibrate by the first piezoelectric element 3 .
  • the outer peripheral portion 22 is arranged around the central portion 21 .
  • the beam 6 connects the central portion 21 and the outer peripheral portion 22 between the central portion 21 and the outer peripheral portion 22 .
  • the diaphragm 2 is provided with a slit SL.
  • a slit SL is provided around the beam 6 . Therefore, the beam 6 can bend along the direction in which the housing 1 and the diaphragm 2 are connected.
  • the dimension of the slit SL in the lateral direction is, for example, 10 ⁇ m.
  • the side surface of the first piezoelectric element 3 is shown flat in FIG. 6, but the side surface of the first piezoelectric element 3 is provided with steps as shown in FIGS. ing.
  • the housing 1 and diaphragm 2 are configured such that the volume of the internal space IS can be changed.
  • the housing 1 and diaphragm 2 are configured so that the volume of the internal space IS can be changed by deforming the beam 6 away from the bottom 12 of the housing 1 . More specifically, deformation of the beams 6 away from the bottom 12 of the housing 1 causes the central portion 21 to move away from the bottom 12 of the housing 1 . This increases the volume of the internal space IS.
  • the housing 1 and diaphragm 2 are configured such that the volume of the internal space IS can be changed by deforming the beam 6 so as to approach the bottom 12 of the housing 1. good too. More specifically, by deforming the beam 6 so as to approach the bottom portion 12 of the housing 1 , the central portion 21 moves closer to the bottom portion 12 of the housing 1 . This reduces the volume of the internal space IS.
  • the amount of deformation of the beam 6 may be larger than the maximum amount of displacement due to resonance of the diaphragm 2.
  • the amount of deformation of the beam 6 may be equal to or less than the maximum amount of displacement due to resonance of the diaphragm 2 .
  • the shape of the deformed beam 6 does not change with the vibration of the central portion 21 .
  • the material of the beams 6 is desirably silicon (Si), for example, to which semiconductor manufacturing technology can be easily applied and which has excellent mechanical properties as an elastic material.
  • the beam 6 includes a plurality of beam portions 60. As shown in FIG. The multiple beams 60 are bendable along the direction in which the housing 1 and the diaphragm 2 are connected.
  • the beam 6 includes a first beam portion 61 and a second beam portion 62 .
  • the first beam portion 61 and the second beam portion 62 are bendable along the direction in which the housing 1 and the diaphragm 2 are connected.
  • the first beam portion 61 and the second beam portion 62 may have the same shape.
  • each of the first beam portion 61 and the second beam portion 62 has a C shape when viewed from the diaphragm 2 toward the housing 1 (see FIG. 6).
  • Each of the first beam portion 61 and the second beam portion 62 is arranged along the circumferential direction of the central portion 21 .
  • the first beam portion 61 and the second beam portion 62 are arranged apart from each other via the slit SL. More specifically, the first beam portion 61 and the second beam portion 62 are spaced apart from each other via a radially extending portion of the central portion 21 of the slit SL.
  • the slit SL includes a first slit portion SL1 and a second slit portion SL2.
  • the first slit portion SL1 is provided around the first beam portion 61 .
  • the second slit portion SL2 is provided around the second beam portion 62 .
  • Each of the first slit portion SL1 and the second slit portion SL2 has a first slit portion, a second slit portion and a third slit portion.
  • the first slit portion is arranged on the central portion 21 side with respect to the beam 6 .
  • the second slit portion is arranged on the outer peripheral portion 22 side with respect to the beam 6 .
  • a third slit portion connects the first slit portion and the second slit portion.
  • each of the first slit portion and the second slit portion is C-shaped.
  • the first slit portion and the second slit portion are provided along the circumferential direction of the central portion 21 .
  • the third slit portion is provided along the radial direction of the central portion 21 .
  • the shape of the third slit portion is linear.
  • the ultrasonic transducer 100 further includes a second piezoelectric element 30.
  • a second piezoelectric element 30 is connected to the beam 6 .
  • the second piezoelectric element 30 is configured as an actuator for deforming the beam 6 .
  • the first piezoelectric element 3 and the second piezoelectric element 30 are formed from a common lower electrode 3A, upper electrode 3C and piezoelectric thin film 3B.
  • the second piezoelectric element 30 includes a first element 31 and a second element 32 .
  • the first element 31 is connected to the first beam portion 61 .
  • the second element 32 is connected to the second beam portion 62 .
  • the application of voltage to the second piezoelectric element 30 causes the second piezoelectric element 30 to deform. Since the principle of deformation of the second piezoelectric element 30 is the same as the principle of deformation of the first piezoelectric element 3, it will not be described. Deformation of the second piezoelectric element 30 bends the beam 6 . Specifically, voltage is applied to each of the first element 31 and the second element 32, so that the first element 31 and the second element 32 are deformed. Each deformation of the first element 31 and the second element 32 bends each of the first beam portion 61 and the second beam portion 62 . This changes the volume of the internal space IS.
  • the ultrasonic transducer 100 is configured to receive or transmit ultrasonic waves while the volume of the internal space IS is changed.
  • a first substrate 91 which is the substrate 9, is prepared.
  • the first substrate 91 is a three-layer SOI substrate.
  • Diaphragm 2 (see FIG. 8) is formed from first substrate 91 .
  • the first substrate 91 includes a third silicon layer 53 , a fourth silicon layer 54 , a fifth silicon layer 55 , a first surface oxide film 43 , a third oxide film 44 and a fourth oxide film 45 .
  • the first surface oxide film 43, the third silicon layer 53, the third oxide film 44, the fourth silicon layer 54, the fourth oxide film 45 and the fifth silicon layer 55 are laminated in order.
  • the thicknesses of the third silicon layer 53 and the fourth silicon layer 54 are, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the thickness of the fifth silicon layer 55 is, for example, 100 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
  • the first surface oxide film 43 and the third silicon layer 53 are etched and patterned. Thereby, an opening OP and a slit SL are formed.
  • a second substrate 92 that is the substrate 9 is prepared.
  • the second substrate 92 is a two-layer SOI substrate.
  • a housing 1 (see FIG. 8) is formed from a second substrate 92 .
  • the second substrate 92 includes a sixth silicon layer 56 , a seventh silicon layer 57 , a second surface oxide film 46 and a fifth oxide film 47 .
  • the second surface oxide film 46, the sixth silicon layer 56, the fifth oxide film 47 and the seventh silicon layer 57 are laminated in order.
  • the thickness of the sixth silicon layer 56 is, for example, 100 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
  • the thickness of the seventh silicon layer 57 is, for example, 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the second surface oxide film 46 and the sixth silicon layer 56 are etched and patterned. Thereby, an internal space IS is formed.
  • the etched first substrate 91 and the etched second substrate 92 are bonded. Specifically, the third silicon layer 53 of the first substrate 91 and the second surface oxide film 46 of the second substrate 92 are bonded.
  • the fifth silicon layer 55 is removed by etching.
  • the fourth oxide film 45 is exposed.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C are laminated on the fourth oxide film 45 in this order.
  • the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C are etched to form the first piezoelectric element 3 and the second piezoelectric element 30.
  • FIG. 8 the lower electrode 3A, the piezoelectric thin film 3B and the upper electrode 3C are etched to form the first piezoelectric element 3 and the second piezoelectric element 30.
  • the fifth silicon layer 55 is used only for supporting the substrate and is not included in the final structure.
  • One substrate 91 is not limited to a three-layer SOI substrate.
  • a two-layer SOI substrate may be used as the first substrate 91 when the rigidity of the wafer is large enough not to interfere with transportation during the semiconductor process.
  • a dummy wafer may be used as the fifth silicon layer 55 .
  • the housing 1 and the diaphragm 2 are configured such that the volume of the internal space IS can be changed. Therefore, the height dimension from the bottom portion 12 of the housing 1 to the diaphragm 2 can be changed. Thereby, the resonance frequency of the acoustic resonance structure can be changed. Therefore, for example, the resonance frequency of the acoustic resonance structure can be changed so as to correct the difference between the resonance frequency of the diaphragm 2 and the resonance frequency of the housing 1 due to manufacturing errors or the like. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the sound pressure amplification effect due to resonance.
  • the beam 6 is bendable along the direction in which the housing 1 and diaphragm 2 are connected. Therefore, the height dimension from the bottom portion 12 of the housing 1 to the diaphragm 2 can be changed by moving the center portion 21 due to the deformation of the beams 6 . Therefore, the resonance frequency of the acoustic resonance structure can be changed by deformation of the beams 6 . Therefore, the deformation of the beam 6 can suppress the deterioration of the sound amplification effect due to resonance.
  • the second piezoelectric element 30 is connected to the beam 6. Therefore, the beam 6 can be deformed by applying a voltage to the second piezoelectric element 30 .
  • the beam 6 includes a plurality of beam portions 60.
  • the plurality of beams 60 can bend along the direction in which the housing 1 and diaphragm 2 are connected. Therefore, the volume of the internal space IS can be changed by deforming the beams 60 . Therefore, the volume of the internal space IS can be changed more easily than when the beam 6 is single. Therefore, it is possible to easily suppress the deterioration of the sound amplification effect due to resonance.
  • Embodiment 3 Next, the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG. 18 .
  • Embodiment 3 has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of Embodiment 2 described above unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the second embodiment, and the description thereof will not be repeated.
  • the second piezoelectric element 30 of the ultrasonic transducer 100 includes a plurality of element portions 39.
  • the first element 31 includes a plurality of element portions 39 .
  • the second element 32 includes multiple element portions 39 . In other words, each of the first element 31 and the second element 32 is divided into a plurality of element portions 39 .
  • the plurality of element parts 39 are arranged along the longitudinal direction of the beam 6 with a space SP therebetween. In other words, the multiple element portions 39 are physically disconnected from each other.
  • Each of the plurality of element units 39 is configured to receive input signals independent of each other.
  • the first element 31 includes two element parts 39, for example. Each of the two element portions 39 of the first element 31 is connected to the first beam portion 61 . Each of the two element portions 39 of the first element 31 is arranged along the longitudinal direction of the first beam portion 61 with a space SP therebetween.
  • the second element 32 includes two element portions 39, for example. Each of the two element portions 39 of the second element 32 is connected to the second beam portion 62 . Each of the two element portions 39 of the second element 32 is arranged along the longitudinal direction of the second beam portion 62 with a space SP therebetween.
  • each of the two element portions 39 of the first element 31 is applied to each of the two element portions 39 of the first element 31 .
  • each of the two element portions 39 of the first element 31 and each of the two element portions 39 of the second element 32 are deformed.
  • the deformation of one of the two element portions 39 of the first element 31 is symmetrical with respect to the deformation of the other around the center of the first beam portion 61 in the longitudinal direction. Since the first beam portion 61 is deformed by deformation of the two element portions 39 of the first element 31 symmetrically with respect to the center in the longitudinal direction of the first beam portion 61, the sign of the curvature of the deformation of the first beam portion 61 is Invert at the center in .
  • the deformation of one of the two element portions 39 of the second element 32 is relative to the deformation of the other, centering on the center in the longitudinal direction of the second beam portion 62. is point symmetric. Since the second beam portion 62 is deformed by deformation of the two element portions 39 of the second element 32 symmetrically with respect to the center in the longitudinal direction of the second beam portion 62, the sign of the curvature of the deformation of the second beam portion 62 is Invert at the center in .
  • the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 3 As shown in FIG. 18, the plurality of element portions 39 are arranged along the longitudinal direction of the beam 6 with the spacing SP therebetween. Therefore, as shown in FIG. 19, the stress applied to the beam 6 when the two element portions 39 of the first element 31 are deformed is the gap SP (gap ). Therefore, the stress applied to the beam 6 when the plurality of element portions 39 are deformed is greater than the stress applied to the beam 6 when the second piezoelectric element 30 consists of a single element portion (see FIG. 20). small. Therefore, the stress applied to beam 6 can be reduced.
  • the two element portions 39 of the second element 32 also have a small stress, like the first element 31 .
  • Embodiment 4 Next, the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 4 will be described using FIG.
  • the fourth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of the second embodiment unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the second embodiment, and the description thereof will not be repeated.
  • the ultrasonic transducer 100 further includes a membrane portion 7. As shown in FIG. The membrane part 7 is connected to the beam 6 .
  • the ultrasonic transducer 100 does not include the second piezoelectric element 30 (see FIG. 8).
  • the ultrasonic transducer 100 includes the film portion 7 as an alternative to the second piezoelectric element 30 .
  • the film portion 7 has a coefficient of thermal expansion different from that of the diaphragm 2 .
  • the film part 7 is, for example, a metal film.
  • the ultrasonic transducer 100 is configured to apply current to the membrane portion 7 .
  • the film portion 7 includes a first film portion 71 and a second film portion 72 .
  • the first film portion 71 is connected to the first beam portion 61 .
  • the second membrane portion 72 is connected to the second beam portion 62 .
  • Each of the first film portion 71 and the second film portion 72 has a coefficient of thermal expansion different from that of the diaphragm 2 .
  • the film portion 7 and the beam 6 are heated by Joule heat by applying an electric current to the film portion 7 .
  • the film portion 7 and the beam 6 expand due to the temperature rise. Since the film portion 7 has a coefficient of thermal expansion different from that of the diaphragm 2 , the amount of deformation of the film portion 7 and the amount of deformation of the diaphragm 2 are different. The difference between the amount of deformation of the membrane portion 7 and the amount of deformation of the diaphragm 2 bends the beam 6 .
  • the film portion 7 has a coefficient of thermal expansion different from that of the diaphragm 2, as shown in FIG. Therefore, the amount of deformation of the membrane portion 7 and the amount of deformation of the diaphragm 2 are different when the membrane portion 7 and the beams 6 are heated. Therefore, the diaphragm 2 is deformed so as to be pulled by the deformed film portion 7 by being heated. That is, the beam 6 can be bent by heating. Therefore, the beam 6 can be bent without using the second piezoelectric element 30 (see FIG. 8).
  • Embodiment 5 Next, the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 5 will be described with reference to FIG. 22 .
  • Embodiment 5 has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of Embodiment 2 described above unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the second embodiment, and the description thereof will not be repeated.
  • the ultrasonic transducer 100 further includes a cover portion 8.
  • the cover portion 8 has rigidity lower than that of the diaphragm 2 . Therefore, the cover portion 8 can be deformed according to the deformation of the diaphragm 2 .
  • the cover part 8 is, for example, an organic film such as parylene.
  • the cover portion 8 may be, for example, a thinned silicon layer.
  • the cover part 8 is arranged on the diaphragm 2 so as to cover the slit SL.
  • the cover part 8 is arranged on the diaphragm 2 so as to expose the opening OP.
  • the cover portion 8 is arranged on the diaphragm 2 so as to cover the first slit portion SL1 and the second slit portion SL2.
  • the shape and arrangement of the cover portion 8 may be appropriately determined as long as the first slit portion SL1 and the second slit portion SL2 are covered.
  • the cover part 8 may have, for example, a ring shape that covers the entire slit SL.
  • the cover part 8 may be arranged on the diaphragm 2 so as to cover the entire surfaces of the central part 21 , the outer peripheral part 22 and the beams 6 of the diaphragm 2 , for example.
  • the second piezoelectric element 30 is connected to the beam 6 via the cover portion 8 .
  • the cover portion 8 includes a first cover portion 81 and a second cover portion 82 .
  • Each of the first cover portion 81 and the second cover portion 82 covers each of the first slit portion SL1 and the second slit portion SL2.
  • the cover part 8 is arranged on the wafer (substrate 9 (see FIG. 4)), for example, before the second piezoelectric element 30 is deposited. Subsequently, the arranged cover part 8 is patterned.
  • the cover part 8 may be arranged by a technique such as inkjet printing at an appropriate timing such as after patterning the second piezoelectric element 30 and after processing the silicon layer.
  • the cover part 8 is arranged on the diaphragm 2 so as to cover the slit SL. Therefore, it is possible to prevent the air in the internal space IS from leaking out of the internal space IS through the slit SL.
  • the air in the internal space IS tends to leak out when the width of the slit SL is too wide. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the amplification effect by acoustic resonance due to leakage of air.
  • Embodiment 6 Next, the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to Embodiment 6 will be described with reference to FIG. Embodiment 6 has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of Embodiment 2 above, unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the second embodiment, and the description thereof will not be repeated.
  • each of the multiple beams 60 of the ultrasonic transducer 100 includes a silicon (Si) substrate having a (1,1,1) crystal plane.
  • the multiple beams 60 include a first beam 61 , a second beam 62 and a third beam 63 .
  • Each of first beam portion 61, second beam portion 62 and third beam portion 63 includes a silicon (Si) substrate having a (1,1,1) crystal plane.
  • the first beam portion 61, the second beam portion 62, and the third beam portion 63 are arranged on the circumference of a circle whose center is the opening OP.
  • the shape and length of the first beam portion 61, the second beam portion 62 and the third beam portion 63 are equal to each other.
  • the second piezoelectric element 30 includes a first element 31, a second element 32 and a third element 33.
  • Each of the first element 31, the second element 32 and the third element 33 is connected to each of the first beam portion 61, the second beam portion 62 and the third beam portion 63, respectively.
  • Each of the first element 31, the second element 32 and the third element 33 can vibrate each of the first beam portion 61, the second beam portion 62 and the third beam portion 63, respectively.
  • Each of the first element 31, the second element 32, and the third element 33 is configured to be able to measure the strain of each of the first beam portion 61, the second beam portion 62, and the third beam portion 63, respectively.
  • each of the plurality of beams 60 includes a silicon (Si) substrate having a (1,1,1) crystal plane.
  • the (1,1,1) mechanical properties of a silicon (Si) substrate have three-fold symmetry. Therefore, when the same stress is applied to each of the plurality of beams 60, the deformation amounts of the plurality of beams 60 can be made equal to each other. Therefore, even with a silicon (Si) substrate having crystal anisotropy, the deformation amounts of the plurality of beam portions 60 can be made equal.
  • Embodiment 7 Next, with reference to FIG. 24, the configuration of distance measuring device 200 according to Embodiment 7 will be described.
  • the ultrasonic transducer 100 of the distance measuring device 200 according to Embodiment 7 has the same configuration, manufacturing method, and effects as those of Embodiment 1 above unless otherwise specified. Therefore, the same reference numerals are given to the same configurations as in the above-described first embodiment, and description thereof will not be repeated.
  • the distance measuring device 200 includes the ultrasonic transducer 100 according to any one of the first to sixth embodiments.
  • Range finder 200 is a range finder 200 for measuring the distance from range finder 200 to object 300 .
  • the distance measuring device 200 is configured to measure the distance from the distance measuring device 200 to the object 300 using the Time of Flight method. That is, the distance measuring device 200 is configured to transmit the ultrasonic waves W1 to the object 300. As shown in FIG. Further, the distance measuring device 200 is configured to receive the ultrasonic wave W2 reflected by the object. The distance measuring device 200 is configured to measure the distance from the distance measuring device 200 to the object 300 based on the time from transmission of the ultrasonic wave W1 to reception of the ultrasonic wave W2.
  • the first piezoelectric element 3 to which the electric signal is input vibrates the diaphragm 2 at the resonance frequency, thereby generating ultrasonic waves W1 at the resonance frequency.
  • the ultrasonic wave W1 is amplified by the acoustic resonance structure.
  • the amplified ultrasonic wave W1 is transmitted from the ultrasonic transducer 100 toward the object 300 as a transmission wave.
  • Ultrasonic wave W1 is reflected by object 300 .
  • the reflected ultrasonic wave W2 reaches the ultrasonic transducer 100 as a reflected wave.
  • the reaching ultrasonic wave W2 is amplified by the acoustic resonance structure.
  • the amplified ultrasonic wave W2 vibrates the diaphragm 2 by resonance.
  • the vibration of diaphragm 2 is received as an electrical signal by a piezoelectric element arranged on diaphragm 2 . If the distance from the ultrasonic transducer 100 to the object 300 is L, the time from transmission to reception of sound waves is t, and the speed of sound is c, the distance L is calculated by Equation (4).
  • the ranging device 200 includes the ultrasonic transducer 100 according to any one of the first to sixth embodiments. Therefore, as in any one of the first to sixth embodiments, it is possible to suppress deterioration in the dimensional accuracy of the ultrasonic transducer 100. FIG. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the dimensional accuracy of the distance measuring device 200 . Therefore, since it is possible to suppress the deterioration of the generated sound pressure and the sensitivity of the ultrasonic transducer 100, it is possible to suppress the deterioration of the detection distance of the distance measuring device 200. FIG.

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Abstract

超音波トランスデューサ（１００）は、振動板（２）と、筐体（１）とを備えている。振動板（２）は、振動可能である。筐体（１）は、振動板（２）に接続されている。振動板（２）には、開口部（ＯＰ）が設けられている。筐体（１）には、内部空間（ＩＳ）が設けられている。内部空間（ＩＳ）は、開口部（ＯＰ）に連通している。振動板（２）および筐体（１）は、振動板（２）の振動によって発生する超音波を開口部（ＯＰ）および内部空間（ＩＳ）によって増幅させる音響共振構造を構成しており、かつ一体的に構成されている。

Description

超音波トランスデューサ、測距装置および超音波トランスデューサの製造方法
　本開示は、超音波トランスデューサ、測距装置および超音波トランスデューサの製造方法に関するものである。
　自動車および搬送車の周辺監視ならびにデバイスの非接触操作の用途のための距離センサとして、超音波トランスデューサが用いられている。一般に普及している超音波トランスデューサには、バルク状のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）が用いられることが多い。しかしながら、バルク状のＰＺＴが用いられた超音波トランスデューサの小型化は、機械加工の加工精度によって制限されている。このため、小型化が可能な超音波トランスデューサとしてＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）超音波トランスデューサが開発されている。
　最も一般的なＭＥＭＳ超音波トランスデューサには、薄膜型の振動板（メンブレン）が用いられている。振動板を含むＭＥＭＳ超音波トランスデューサの構造体の材料には、半導体である珪素（Ｓｉ）が用いられている。ＭＥＭＳ超音波トランスデューサは、例えば、深掘りイオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep　Reactive　Ion　Etching）等の半導体技術によって加工される。高い寸法精度を有する半導体技術を振動板の加工に適用することによって、ＭＥＭＳ超音波トランスデューサの小型化が可能となる。
　例えば、特表２０１０－５１５３３５号公報（特許文献１）には、ＭＥＭＳマイクロフォンと、音響共振構造とを備えた音源追跡マイクロフォン（超音波トランスデューサ）が記載されている。音響共振構造は、空洞および音の入口通路を有している。音響共振構造は、音響共振構造内に入る音を空洞および入口通路によって増幅させるように構成されている。
特表２０１０－５１５３３５号公報
　上記公報では、音響共振構造の空洞にＭＥＭＳマイクロフォンが配置されている。このため、音響共振構造の空洞にマイクロフォンが配置された後に、音響共振構造を形成する必要がある。よって、音響共振構造を精度良く製造することが困難である。よって、音響共振構造の寸法精度が低下する。
　本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、音響共振構造の寸法精度が低下することを抑制することができる超音波トランスデューサ、測距装置および超音波トランスデューサの製造方法を提供することである。
　本開示の超音波トランスデューサは、振動板と、筐体とを備えている。振動板は、振動可能である。筐体は、振動板に接続されている。振動板には、開口部が設けられている。筐体には、内部空間が設けられている。内部空間は、開口部に連通している。振動板および筐体は、振動板の振動によって発生する超音波を開口部および内部空間によって増幅させる音響共振構造を構成しており、かつ一体的に構成されている。
　本開示の超音波トランスデューサによれば、音響共振構造の寸法精度が低下することを抑制することができる。
実施の形態１に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる基板に下部電極、圧電薄膜および上部電極が積層された様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる基板に開口部が設けられた様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる基板に内部空間が設けられた様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す上面図である。 図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの中央部および梁が筐体の底部から離れるように移動した様子を概略的に示す端面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの中央部および梁が筐体の底部に近づくように移動した様子を概略的に示す端面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第１基板の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第１基板に開口部およびスリットが設けられた様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第２基板の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第２基板に内部空間が設けられた様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第１基板および第２基板が接合された様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第１基板および第２基板から第５シリコン層が取り除かれた様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの製造に用いられる第１基板に下部電極、圧電薄膜および上部電極が積層された様子を概略的に示す断面図である。 実施の形態３に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態３に係る超音波トランスデューサの梁が変形した様子を概略的に示す模式的な断面図である。 実施の形態２に係る超音波トランスデューサの梁が変形した様子を概略的に示す模式的な断面図である。 実施の形態４に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態６に係る超音波トランスデューサの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態７に係る測距装置の構成を概略的に示す模式図である。
　以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
　実施の形態１．
　図１および図２を用いて、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。
　図１に示されるように、超音波トランスデューサ１００は、筐体１と、振動板２とを含んでいる。本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００は、第１圧電素子３をさらに含んでいる。なお、説明の便宜のため、図１では第１圧電素子３の側面が平坦に図示されているが、図２に示されるように第１圧電素子３の側面には段差が設けられている。
　図２に示されるように、筐体１は、振動板２に接続されている。筐体１には、内部空間ＩＳが設けられている。筐体１は、第１シリコン層５１と、第１酸化膜４１とを含んでいる。第１シリコン層５１は、周壁部１１と、底部１２とを有している。なお、図２では、周壁部１１と底部１２との境界が破線によって示されている。周壁部１１は、底部１２から立ち上がるように底部１２に接続されている。周壁部１１は、内部空間ＩＳを囲んでいる。底部１２は、振動板２とで内部空間ＩＳを挟み込んでいる。第１酸化膜４１は、周壁部１１上に積層されている。第１酸化膜４１は、周壁部１１と振動板２とに挟み込まれている。なお、筐体１の外形は、直方体であってもよいし、円柱形であってもよい。
　振動板２は、内部空間ＩＳを覆うように筐体１に接続されている。この構造は、キャビティ構造と呼ばれることもある。振動板２には、開口部ＯＰが設けられている。開口部ＯＰは、振動板２を貫通している。望ましくは、開口部ＯＰは、振動板２の面内方向の中心を通るように設けられている。内部空間ＩＳは、開口部ＯＰに連通している。なお、開口部ＯＰの形状は、円形であってもよいし、矩形であってもよい。
　振動板２は、振動可能である。具体的には、振動板２は、第１圧電素子３によって振動可能である。振動板２は、振動によって超音波を発生させるように構成されている。なお、振動板２が超音波を発生させる原理は後述される。
　振動板２は、第２シリコン層５２と、第２酸化膜４２を含んでいる。開口部ＯＰは、第２シリコン層５２および第２酸化膜４２を貫通している。第２シリコン層５２は、第１酸化膜４１上に積層されている。第２酸化膜４２は、第２シリコン層５２上に積層されている。
　筐体１および振動板２は、振動板２の振動によって発生する超音波を開口部ＯＰおよび内部空間ＩＳによって増幅させる音響共振構造を構成している。音響共振構造は、一体的に構成されている。音響共振構造は、例えば、ヘルムホルツ共鳴器であってもよい。なお、音響共振構造は、詳細に後述される。
　筐体１および振動板２は、一体的に構成されている。言い換えると、筐体１および振動板２は、隙間なく接続されている。より詳細には、筐体１の第１酸化膜４１および振動板２の第２シリコン層５２は、隙間なく接続されている。なお、本実施の形態において、「一体的に構成されている」および「隙間なく接続されている」とは、共有結合等の原子単位または分子単位の結合によって接続されていることを意味する。望ましくは、筐体１および振動板２は、ＭＥＭＳ技術によって一体的に構成されている。なお、筐体１および振動板２のＭＥＭＳ技術を用いた製造方法は後述される。
　筐体１の周壁部１１および底部１２（第１シリコン層５１）ならびに振動板２の第２シリコン層５２の材料は、半導体製造技術の適用が容易でありかつ弾性材料として優れた機械特性を有する材料である珪素（Ｓｉ）が望ましい。第１酸化膜４１および第２酸化膜４２は、例えば、珪素（Ｓｉ）酸化膜である。
　第１圧電素子３は、振動板２に接続されている。第１圧電素子３は、振動板２上に配置されている。具体的には、第１圧電素子３は、振動板２の第２酸化膜４２上に配置されている。第１圧電素子３は、振動板２に対して内部空間ＩＳとは反対側に配置されている。言い換えると、第１圧電素子３は、内部空間ＩＳの外に配置されている。図１に示されるように、第１圧電素子３は、環形状を有している。第１圧電素子３は、開口部ＯＰを露出させるように配置されている。
　第１圧電素子３は、振動板２を振動させるためのアクチュエータとして構成されている。第１圧電素子３は、超音波の送信時に振動板２を振動させるように構成されている。また、第１圧電素子３は、振動板２の歪みを計測するための歪みセンサとして構成されている。第１圧電素子３は、超音波の受信時に振動板２の歪みセンサとして機能するように構成されている。これにより、超音波の受信時に振動板２の振動が計測される。超音波トランスデューサ１００は、第１圧電素子３に電圧を印加するように構成されている。第１圧電素子には、図示されない電源が電気的に接続されていてもよい。
　図２に示されるように、第１圧電素子３は、下部電極３Ａと、圧電薄膜３Ｂと、上部電極３Ｃとを含んでいる。下部電極３Ａおよび上部電極３Ｃは、圧電薄膜３Ｂを挟み込んでいる。下部電極３Ａは、振動板２上に配置されている。圧電薄膜３Ｂは、下部電極３Ａに対して内部空間ＩＳとは反対側に配置されている。下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂおよび上部電極３Ｃは、この順に大きい外径を有している。
　圧電薄膜３Ｂの材料は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）等である。望ましくは、下部電極３Ａおよび上部電極３Ｃの材料は、圧電素子に一般的に使用されるチタン（Ｔｉ）膜と白金（Ｐｔ）膜との積層膜である。なお、下部電極３Ａおよび上部電極３Ｃの材料は、電極として十分な導電性を有しかつ下地等との良好な密着性を有している膜であれば、他の積層膜であってもよい。また、分極疲労を低減する効果を有している酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）膜等の酸化電極膜が上部電極３Ｃと圧電薄膜３Ｂとの間に配置されていてもよい。
　次に、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の動作を説明する。
　下部電極３Ａおよび上部電極３Ｃの間に電圧が印加されることで、圧電薄膜３Ｂが収縮する。圧電薄膜３Ｂの収縮によって振動板２が屈曲する。振動板２の共振周波数に近い周波数の電圧が圧電薄膜３Ｂに印加されることによって、振動板２が共振振動によって振動する。なお、本実施の形態において、振動板２の共振周波数に近い周波数とは、振動板２の振動変位が最大変位（ピーク変位）の２－１／２倍以上２１／２倍以下になる範囲の周波数である。これにより、超音波が発生する。
　また、超音波トランスデューサ１００が超音波センサとして用いられる場合には、超音波によって振動した振動板２の振動が第１圧電素子３を介して電圧信号として取得される。
　筐体１の内部空間ＩＳおよび振動板２の開口部ＯＰの寸法は、筐体１の共振周波数と振動板２の共振周波数とが近づくように設定される。なお、本実施の形態において、筐体１の共振周波数と振動板２の共振周波数とが近づくとは、筐体１の共振周波数が、振動板２の振動変位が最大変位の２－１／２倍以上２１／２倍以下になる範囲の周波数に設定されることを意味する。これにより、振動板２の振動によって発生した超音波の音圧が音響共振構造によって増幅される。
　音響共振構造の共振周波数は、内部空間ＩＳの直径Ｄ１、開口部ＯＰの直径Ｄ２、内部空間ＩＳの高さＬ１、開口部ＯＰの高さＬ２、開口補正ａ、開口部ＯＰの面内方向の面積Ｓｍ、内部空間ＩＳの容積Ｖｃを用いて、以下の式（１）によって表される。なお、開口部ＯＰの面内方向の面積Ｓｍは、以下の式（２）によって表される。内部空間ＩＳの容積Ｖｃは、以下の式（３）によって表される。
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　また、超音波トランスデューサ１００が超音波センサとして用いられる場合には、受信する超音波の音圧が音響共振によって増幅されることにより、振動板２の振動が大きくなる。これにより、第１圧電素子３の歪みが大きくなるため、増幅された信号が取得される。
　次に、図２～図５を用いて、実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を説明する。
　図３に示されるように、準備される工程では、基板９が準備される。基板９は、ＳＯＩ基板（ＳＯＩ：Silicon　On　Insulator）である。本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００は、ＳＯＩ基板が加工されることで製造される。基板９は、例えば、第１シリコン層５１、第２シリコン層５２、第１酸化膜４１および第２酸化膜４２を含んでいる。第１シリコン層５１の厚みは、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。第２シリコン層５２の厚みは、例えば、１００μｍ以上６００μｍ以下である。第２酸化膜４２は、表面酸化膜として構成されている。第２酸化膜４２の形成方法は、面粗さを小さくできる熱酸化法が好適である。
　続いて、下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂおよび上部電極３Ｃが順に第２酸化膜４２上に成膜される。下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂおよび上部電極３Ｃは、スパッタ法またはＣＳＤ法（ＣＳＤ：Chemical　Solution　Deposition）によって成膜される。下部電極３Ａおよび上部電極３Ｃの厚みは、例えば、０．１μｍである。圧電薄膜３Ｂの厚みは、例えば、１μｍ以上９μｍ以下である。
　続いて、図４に示されるように、下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂ、上部電極３Ｃ、第２酸化膜４２および第２シリコン層５２がパターニングされる。
　具体的には、上部電極３Ｃのパターニングには、レジスト膜が保護膜として利用されたフォトリソグラフィー技術が好適である。上部電極３Ｃのエッチング処理には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive　Ion　Etching）、またはエッチャントが利用されたフォトエッチング処理が用いられる。どのようなエッチング処理が行われる場合でも、上部電極３Ｃと下地の膜とで十分なエッチング選択比が得られる条件が設定される必要がある。例えば、圧電薄膜３ＢとしてＰＺＴが用いられ、上部電極３Ｃとしてチタン（Ｔｉ）膜と白金（Ｐｔ）膜との積層膜が用いられた場合、当該積層膜が反応性イオンエッチング処理によってパターニングされる場合には、塩素（Ｃｌ２）／アルゴン（Ａｒ）系のガスが好適である。上部電極３Ｃのパターニング後、レジスト膜が除去される。レジスト膜の除去には、酸素（Ｏ２）アッシング処理等が使用される。
　続いて、フォトリソグラフィー技術およびエッチング処理によって、圧電薄膜３Ｂがパターニングされる。エッチング処理は、例えば、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理である。エッチング処理では、圧電薄膜３Ｂと下地の層との間で十分なエッチング選択比が得られる条件が設定される必要がある。例えば、下部電極３Ａおよび圧電薄膜３Ｂとしてチタン（Ｔｉ）膜および白金（Ｐｔ）膜の積層膜ならびにＰＺＴがそれぞれ用いられ、当該積層膜が反応性イオンエッチング処理によってパターニングされてもよい。この場合、塩素（Ｃｌ２）、塩化ボロン（ＢＣｌ２）、塩化水素（ＣＨ４）系のガスが好適である。圧電薄膜３Ｂのパターニング後、酸素（Ｏ２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
　続いて、フォトリソグラフィー技術およびエッチング処理によって、下部電極３Ａがパターニングされる。エッチング処理は、例えば、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理である。エッチング処理では、下部電極３Ａと下地の層との間で十分なエッチング選択比が得られる条件が設定される必要がある。例えば、下部電極３Ａとしてチタン（Ｔｉ）膜および白金（Ｐｔ）膜の積層膜が用いられた場合、当該積層膜が反応性イオンエッチング処理によってパターニングされる場合には、塩素（Ｃｌ２）／アルゴン（Ａｒ）系のガスが好適である。下部電極３Ａのパターニング後、酸素（Ｏ２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
　続いて、フォトリソグラフィー技術およびエッチング処理によって、第２シリコン層５２上に形成された第２酸化膜４２がパターニングされる。エッチング処理は、例えば、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理である。第２酸化膜４２が反応性イオンエッチング処理によってパターニングされる場合には、塩素（Ｃｌ２系）のガスが好適である。
　続いて、第２シリコン層５２にエッチング処理が施される。これにより、形成される工程Ｓ１０２では、振動板２（第２シリコン層５２）に開口部ＯＰが形成される。エッチング処理は、例えば、深掘エッチング（ＤＲＩＥ：Deep　Reactive　Ion　Etching）処理が望ましい。深掘エッチングは、高いアスペクト比によってエッチング処理が可能なボッシュ法によって行われる。エッチング処理は、第１酸化膜４１が露出するまで行われる。エッチング処理の後、酸素（Ｏ２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
　続いて、図５に示されるように、フォトリソグラフィー技術およびエッチング処理によって、第１シリコン層５１がパターニングされる。これにより、形成される工程Ｓ１０２では、筐体１（図２参照）（第１シリコン層５１）に内部空間ＩＳが形成される。エッチング処理は、例えば、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理である。望ましくは、エッチング処理は、ボッシュ法による深掘エッチング（ＤＲＩＥ）である。エッチング処理は、第１酸化膜４１が露出するまで行われる。続いて、露出した第１酸化膜４１がエッチング処理によって除去される。第１酸化膜４１のエッチング処理は、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理である。第１酸化膜４１が反応性イオンエッチングによってパターニングされる場合には、塩素（Ｃｌ２）系のガスが好適である。
　続いて、図２および図５に示されるように、基板９にシリコン基板である第２の基板が接合される。第２の基板は、筐体１の底部１２になる。基板９と第２の基板との接合には、表面活性化接合または常温活性化接合が用いられる。
　以上より、形成される工程Ｓ１０２では、基板から筐体１と振動板２とがＭＥＭＳ製造技術によって一体成型で作製される。また、筐体１および振動板２は、振動板２の振動によって発生した音を開口部ＯＰおよび内部空間ＩＳによって増幅させる音響共振構造を構成するように形成される。
　続いて、例えば、ダイシングによって基板がチップサイズに切り出されることによって、ＭＥＭＳ超音波トランスデューサ１００が完成する。
　なお、図４では、ＳＯＩ基板が基板９として準備されたが、基板９はこれに限られない。基板として例えば、初期状態から中空構造を有するＣＳＯＩ基板（ＣＳＯＩ：Cavity　Silicon　On　Insulator）が用いられてもよい。ＣＳＯＩ基板が用いられた場合、中空構造上に第１圧電素子３および開口部ＯＰが形成されるため、第２シリコン層５２のパターニング工程および第２の基板の接合工程が実施されなくてもよい。このため、超音波トランスデューサ１００がより容易に作成される。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図２に示されるように、筐体１および振動板２は、音響共振構造を構成しており、かつ一体的に構成されている。このため、音響共振構造を精度良く製造することができる。具体的には、筐体１および振動板２が別体である場合よりも音響共振構造を精度良く製造することができる。特に、別体である筐体１および振動板２が嵌合されることで音響共振構造が製造される場合よりも音響共振構造を精度良く製造することができる。したがって、音響共振構造の寸法精度が低下することを抑制することができる。言い換えると、音響共振構造の寸法精度を向上させることができる。
　図２に示されるように、第１圧電素子３は、振動板２に接続されている。このため、第１圧電素子３によって振動板２を振動させることができる。また、第１圧電素子３によって振動板２の歪みを計測することができる。このため、音響共振構造が受信した超音波の周波数を振動板２の歪みに基づいて測定することができる。
　図２に示されるように、筐体１および振動板２は、ＭＥＭＳ製造技術によって一体的に構成されている。このため、精度良く音響共振構造を製造することができる。例えば、１μｍ以上１０μｍ以下の誤差範囲内の寸法精度で音響共振構造を製造することができる。
　実施の形態１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法によれば、図３に示されるように、基板９から筐体１と振動板２とがＭＥＭＳ製造技術によって一体成型で作製される。このため、音響共振構造を精度良く製造することができる。具体的には、筐体１および振動板２が別体である場合よりも音響共振構造を精度良く製造することができる。したがって、音響共振構造の寸法精度が低下することを抑制することができる。
　図３に示されるように、基板９から筐体１と振動板２とがＭＥＭＳ製造技術によって一体成型で作製される。このため、例えば、個々に作製された筐体１および振動板２が嵌合されることで組み立てられる場合よりも、超音波トランスデューサ１００の組立コストを低減することができる。また、例えば、個々に作製された筐体１および振動板２が嵌合されることで組み立てられる場合よりも、精密なアセンブリ（組立）工程を必要としない。このため、音響共振構造を容易に製造することができる。
　実施の形態２．
　次に、図６～図１０を用いて、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図６および図７に示されるように、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００の振動板２は、中央部２１と、外周部２２と、梁６とを含んでいる。中央部２１には、第１圧電素子３が接続されている。中央部２１は、第１圧電素子３によって振動するように構成されている。外周部２２は、中央部２１の周囲に配置されている。梁６は、中央部２１と外周部２２との間において中央部２１と外周部２２とを接続している。振動板２には、スリットＳＬが設けられている。スリットＳＬは、梁６の周囲に設けられている。このため、梁６は、筐体１と振動板２とが接続された方向に沿って屈曲可能である。スリットＳＬの短手方向の寸法は、例えば、１０μｍである。なお、説明の便宜のため、図６では第１圧電素子３の側面が平坦に図示されているが、図７および図８に示されるように第１圧電素子３の側面には段差が設けられている。
　図８～図１０に示されるように、筐体１および振動板２は、内部空間ＩＳの容積を変更可能に構成されている。図９に示されるように、筐体１および振動板２は、梁６が筐体１の底部１２から離れるように変形することで、内部空間ＩＳの容積を変更可能に構成されている。より詳細には、梁６が筐体１の底部１２から離れるように変形することで、中央部２１は筐体１の底部１２から離れるように移動する。これにより、内部空間ＩＳの容積が大きくなる。
　図１０に示されるように、筐体１および振動板２は、梁６が筐体１の底部１２に対して近づくように変形することで、内部空間ＩＳの容積を変更可能に構成されていてもよい。より詳細には、梁６が筐体１の底部１２に近づくように変形することで、中央部２１は筐体１の底部１２に近づくように移動する。これにより、内部空間ＩＳの容積が小さくなる。
　なお、梁６の変形量は、振動板２の共振による最大変位量よりも大きくてもよい。梁６の変形量は、振動板２の共振による最大変位量以下であってもよい。望ましくは、変形した梁６の形状は、中央部２１の振動によって変わらない。
　梁６の材料は、例えば、半導体製造技術の適用が容易であり、かつ弾性材料として優れた機械特性を有する珪素（Ｓｉ）であることが望ましい。
　図６に示されるように、梁６は、複数の梁部６０を含んでいる。複数の梁部６０は、筐体１と振動板２とが接続された方向に沿って屈曲可能である。本実施の形態において、梁６は、第１梁部６１と、第２梁部６２とを含んでいる。第１梁部６１および第２梁部６２は、筐体１と振動板２とが接続された方向に沿って屈曲可能である。第１梁部６１および第２梁部６２は、同じ形状を有していてもよい。
　図７に示されるように、振動板２から筐体１（図６参照）に向かう方向から見て、第１梁部６１および第２梁部６２の各々の形状は、Ｃ字状である。第１梁部６１および第２梁部６２の各々は、中央部２１の円周方向に沿って配置されている。第１梁部６１および第２梁部６２は、互いにスリットＳＬを介して離れて配置されている。より詳細には、第１梁部６１および第２梁部６２は、互いにスリットＳＬの中央部２１の径方向に延在する部分を介して離れて配置されている。
　スリットＳＬは、第１スリット部ＳＬ１と、第２スリット部ＳＬ２とを含んでいる。第１スリット部ＳＬ１は、第１梁部６１の周囲に設けられている。第２スリット部ＳＬ２は、第２梁部６２の周囲に設けられている。第１スリット部ＳＬ１および第２スリット部ＳＬ２の各々は、第１のスリット部分、第２のスリット部分および第３のスリット部分を有している。第１のスリット部分は、梁６に対して中央部２１側に配置されている。第２のスリット部分は、梁６に対して外周部２２側に配置されている。第３のスリット部分は、第１のスリット部分および第２のスリット部分を接続している。第１のスリット部分および第２のスリット部分の各々の形状は、Ｃ字状である。第１のスリット部分および第２のスリット部分は、中央部２１の円周方向に沿って設けられている。第３のスリット部分は、中央部２１の径方向に沿って設けられている。第３のスリット部分の形状は、直線状である。
　超音波トランスデューサ１００は、第２圧電素子３０をさらに含んでいる。第２圧電素子３０は、梁６に接続されている。第２圧電素子３０は、梁６を変形させるためのアクチュエータとして構成されている。
　第１圧電素子３および第２圧電素子３０は、共通の下部電極３Ａ、上部電極３Ｃおよび圧電薄膜３Ｂから形成されている。本実施の形態において、第２圧電素子３０は、第１素子３１と、第２素子３２とを含んでいる。第１素子３１は、第１梁部６１に接続されている。第２素子３２は、第２梁部６２に接続されている。
　次に、図８～図１０を用いて、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の動作を説明する。
　図８～図１０に示されるように、第２圧電素子３０に電圧が印加されることで、第２圧電素子３０が変形する。なお、第２圧電素子３０が変形する原理は、第１圧電素子３が変形する原理と共通であるため、説明しない。第２圧電素子３０の変形によって梁６が屈曲する。具体的には、第１素子３１および第２素子３２の各々に電圧が印加されることで、第１素子３１および第２素子３２が変形する。第１素子３１および第２素子３２の各々の変形によって第１梁部６１および第２梁部６２の各々がそれぞれ屈曲する。これにより、内部空間ＩＳの容積が変更される。超音波トランスデューサ１００は、内部空間ＩＳの容積が変更された状態において超音波を受信または送信するように構成されている。
　次に、図８および図１１～図１７を用いて、実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を説明する。
　図１１に示されるように、準備される工程では、基板９である第１基板９１が準備される。第１基板９１は、三層ＳＯＩ基板である。振動板２（図８参照）は、第１基板９１から形成される。第１基板９１は、第３シリコン層５３、第４シリコン層５４、第５シリコン層５５、第１表面酸化膜４３、第３酸化膜４４および第４酸化膜４５を含んでいる。第１表面酸化膜４３、第３シリコン層５３、第３酸化膜４４、第４シリコン層５４、第４酸化膜４５および第５シリコン層５５は、順に積層されている。第３シリコン層５３および第４シリコン層５４の厚さは、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。第５シリコン層５５の厚さは、例えば、１００μｍ以上６００μｍ以下である。
　続いて、図１２に示されるように、形成される工程Ｓ１０２では、第１表面酸化膜４３および第３シリコン層５３がエッチングされ、パターニングされる。これにより、開口部ＯＰおよびスリットＳＬが形成される。
　また、図１３に示されるように、準備される工程では、基板９である第２基板９２が準備される。第２基板９２は、二層ＳＯＩ基板である。筐体１（図８参照）は、第２基板９２から形成される。第２基板９２は、第６シリコン層５６、第７シリコン層５７、第２表面酸化膜４６および第５酸化膜４７を含んでいる。第２表面酸化膜４６、第６シリコン層５６、第５酸化膜４７および第７シリコン層５７は、順に積層されている。第６シリコン層５６の厚さは、例えば、１００μｍ以上６００μｍ以下である。第７シリコン層５７の厚さは、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。
　続いて、図１４に示されるように、第２表面酸化膜４６および第６シリコン層５６がエッチングされ、パターニングされる。これにより、内部空間ＩＳが形成される。
　続いて、図１５に示されるように、エッチングされた第１基板９１およびエッチングされた第２基板９２が接合される。具体的には、第１基板９１の第３シリコン層５３および第２基板９２の第２表面酸化膜４６が接合される。
　続いて、図１５および図１６に示されるように、第５シリコン層５５がエッチングにより除去される。これにより、第４酸化膜４５が露出する。
　続いて、図１７に示されるように、第４酸化膜４５上に下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂおよび上部電極３Ｃが順に積層される。
　続いて、図８に示されるように、下部電極３Ａ、圧電薄膜３Ｂおよび上部電極３Ｃがエッチングされることで、第１圧電素子３および第２圧電素子３０が形成される。
　なお、図１１に示されるように、第１基板９１として３層ＳＯＩ基板が用いられたが、第５シリコン層５５は基板の支持にのみ用いられ最終的な構造には含まれないため、第１基板９１は３層ＳＯＩ基板に限られない。例えば、半導体プロセス時の搬送等に支障がない程度にウェハの剛性が大きい場合には、第１基板９１として二層ＳＯＩ基板が用いられてもよい。また、第５シリコン層５５としてダミーウェハが用いられてもよい。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態２に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図９および図１０に示されるように、筐体１および振動板２は、内部空間ＩＳの容積を変更可能に構成されている。このため、筐体１の底部１２から振動板２までの高さ寸法を変更することができる。これにより、音響共振構造の共振周波数を変更することができる。よって、例えば、製造誤差等による振動板２の共振周波数と筐体１の共振周波数とのずれを修正するように、音響共振構造の共振周波数を変更することができる。したがって、共振による音圧増幅効果が低下することを抑制することができる。
　図８～図１０に示されるように、梁６は、筐体１と振動板２とが接続された方向に沿って屈曲可能である。このため、筐体１の底部１２から振動板２までの高さ寸法を梁６の変形による中央部２１の移動によって変更することができる。よって、音響共振構造の共振周波数を梁６の変形によって変更することができる。したがって、共振による音響増幅効果が低下することを梁６の変形によって抑制することができる。
　図８に示されるように、第２圧電素子３０は、梁６に接続されている。このため、第２圧電素子３０に電圧が印加されることによって梁６が変形可能である。
　図６に示されるように、梁６は、複数の梁部６０を含んでいる。図７～図１０に示されるように、複数の梁部６０は、筐体１と振動板２とが接続された方向に沿って屈曲可能である。このため、内部空間ＩＳの容積を複数の梁部６０の変形によって変更することができる。よって、梁６が単一である場合よりも容易に、内部空間ＩＳの容積を変更することができる。したがって、共振による音響増幅効果が低下することを容易に抑制することができる。
　実施の形態３．
　次に、図１８を用いて、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１８に示されるように、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００の第２圧電素子３０は、複数の素子部３９を含んでいる。本実施の形態では、第１素子３１は、複数の素子部３９を含んでいる。第２素子３２は、複数の素子部３９を含んでいる。言い換えると、第１素子３１および第２素子３２の各々は、複数の素子部３９に分割されている。
　複数の素子部３９は、梁６の長手方向に沿って互いに間隔ＳＰを空けて配置されている。言い換えると、複数の素子部３９は、互いに物理的に断絶している。複数の素子部３９の各々は、互いに独立した入力信号が印加されるように構成されている。
　本実施の形態では、第１素子３１は、例えば、２つの素子部３９を含んでいる。第１素子３１の２つの素子部３９の各々は、第１梁部６１に接続されている。第１素子３１の２つの素子部３９の各々は、第１梁部６１の長手方向に沿って互いに間隔ＳＰを空けて配置されている。
　第２素子３２は、例えば、２つの素子部３９を含んでいる。第２素子３２の２つの素子部３９の各々は、第２梁部６２に接続されている。第２素子３２の２つの素子部３９の各々は、第２梁部６２の長手方向に沿って互いに間隔ＳＰを空けて配置されている。
　次に、図１９に示されるように、実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００の動作を説明する。
　第１素子３１の２つの素子部３９の各々に互いに逆位相の電圧が印加される。これにより、図１９に示されるように、第１素子３１の２つの素子部３９の各々および第２素子３２の２つの素子部３９の各々は、変形する。第１素子３１の２つの素子部３９のうち一方の変形は、第１梁部６１の長手方向における中央を中心として、他方の変形に対して対称である。第１素子３１の２つの素子部３９の第１梁部６１の長手方向における中央に対する対称な変形によって第１梁部６１が変形するため、第１梁部６１の変形の曲率の符号は長手方向における中央において反転する。
　また、図示されないが、第１素子３１と同様に、第２素子３２の２つの素子部３９のうち一方の変形は、第２梁部６２の長手方向における中央を中心として、他方の変形に対して点対称である。第２素子３２の２つの素子部３９の第２梁部６２の長手方向における中央に対する対称な変形によって第２梁部６２が変形するため、第２梁部６２の変形の曲率の符号は長手方向における中央において反転する。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態３に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図１８に示されるように、複数の素子部３９は、梁６の長手方向に沿って互いに間隔ＳＰを空けて配置されている。このため、図１９に示されるように、第１素子３１の２つの素子部３９が変形した際に梁６に印加される応力は、第１素子３１の２つの素子部３９の間隔ＳＰ（隙間）において解放される。よって、複数の素子部３９が変形した際に梁６に印加される応力は、第２圧電素子３０が単一の素子部からなる場合（図２０参照）に梁６に印加される応力よりも小さい。したがって、梁６に印加される応力を低減することができる。なお、第２素子３２の２つの素子部３９についても第１素子３１と同様に応力が小さい。
　実施の形態４．
　次に、図２１を用いて、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２１に示されるように、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００は、膜部７をさらに含んでいる。膜部７は、梁６に接続されている。超音波トランスデューサ１００は、第２圧電素子３０（図８参照）を含んでいない。言い換えると、超音波トランスデューサ１００は、第２圧電素子３０の代替として膜部７を含んでいる。膜部７は、振動板２とは異なる熱膨張率を有している。膜部７は、例えば、金属製の膜である。超音波トランスデューサ１００は、膜部７に電流を流すように構成されている。
　本実施の形態において、膜部７は、第１膜部分７１と、第２膜部分７２とを含んでいる。第１膜部分７１は、第１梁部６１に接続されている。第２膜部分７２は、第２梁部６２に接続されている。第１膜部分７１および第２膜部分７２の各々は、振動板２とは異なる熱膨張率を有している。
　次に、実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００の動作を説明する。
　膜部７に電流が流されることによって、ジュール熱により膜部７および梁６が加熱される。温度上昇によって膜部７および梁６が膨張する。膜部７が振動板２とは異なる熱膨張率を有しているため、膜部７の変形量と振動板２の変形量とは異なる。膜部７の変形量と振動板２の変形量との差によって、梁６が屈曲する。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態４に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図２１に示されるように、膜部７は、振動板２とは異なる熱膨張率を有している。このため、膜部７および梁６が加熱された場合における膜部７の変形量と振動板２の変形量とは異なっている。よって、振動板２は、加熱されることで変形した膜部７に引っ張られるように変形する。すなわち、加熱によって梁６を屈曲させることができる。したがって、第２圧電素子３０（図８参照）を用いることなく梁６を屈曲させることができる。
　実施の形態５．
　次に、図２２を用いて、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２２に示されるように、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００は、カバー部８をさらに含んでいる。カバー部８は、振動板２よりも低い剛性を有している。このため、カバー部８は、振動板２の変形に応じて変形可能である。カバー部８は、例えば、パリレン等の有機膜である。カバー部８は、例えば、薄膜化されたシリコン層であってもよい。
　カバー部８は、スリットＳＬを覆うように振動板２に配置されている。カバー部８は、開口部ＯＰを露出させるように振動板２に配置されている。カバー部８は、第１スリット部ＳＬ１および第２スリット部ＳＬ２を覆うように振動板２に配置されている。第１スリット部ＳＬ１および第２スリット部ＳＬ２が覆われるのであれば、カバー部８の形状および配置は適宜に決められてもよい。カバー部８は、例えば、スリットＳＬの全体を覆う環形状を有していてもよい。カバー部８は、例えば、振動板２の中央部２１、外周部２２および梁６の全面を覆うように振動板２に配置されていてもよい。本実施の形態において、第２圧電素子３０は、カバー部８を介して梁６に接続されている。
　本実施の形態において、カバー部８は、第１カバー部分８１と、第２カバー部分８２とを含んでいる。第１カバー部分８１および第２カバー部分８２の各々は、第１スリット部ＳＬ１および第２スリット部ＳＬ２の各々をそれぞれ覆っている。
　次に、実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を説明する。
　カバー部８は、例えば、第２圧電素子３０が成膜される前にウェハ（基板９（図４参照））上に配置される。続いて、配置されたカバー部８は、パターニングされる。例えば、カバー部８は、例えば、第２圧電素子３０のパターニング後およびシリコン層の加工後等の適宜のタイミングにおいてインクジェットプリンティング等の技術によって配置されてもよい。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態５に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図２２に示されるように、カバー部８は、スリットＳＬを覆うように振動板２に配置されている。このため、内部空間ＩＳ内の空気がスリットＳＬを通って内部空間ＩＳの外に漏出することを抑制することができる。内部空間ＩＳ内の空気は、スリットＳＬの幅が広すぎる場合に漏出しやすい。よって、音響共振による増幅効果が空気の漏出によって低下することを抑制することができる。
　実施の形態６．
　次に、図２３を用いて、実施の形態６に係る超音波トランスデューサ１００の構成を説明する。実施の形態６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２３に示されるように、本実施の形態に係る超音波トランスデューサ１００の複数の梁部６０の各々は、（１，１，１）結晶面を有する珪素（Ｓｉ）基板を含んでいる。
　本実施の形態において、複数の梁部６０は、第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３を含んでいる。第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３の各々は、（１，１，１）結晶面を有する珪素（Ｓｉ）基板を含んでいる。第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３は、開口部ＯＰが中心である円の円周上に配置されている。第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３の形状および長さは、互いに等しい。
　第２圧電素子３０は、第１素子３１、第２素子３２および第３素子３３を含んでいる。第１素子３１、第２素子３２および第３素子３３の各々は、第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３の各々にそれぞれ接続されている。第１素子３１、第２素子３２および第３素子３３の各々は、第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３の各々をそれぞれ振動させることができる。第１素子３１、第２素子３２および第３素子３３の各々は、第１梁部６１、第２梁部６２および第３梁部６３の各々の歪みをそれぞれ計測可能に構成されている。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態６に係る超音波トランスデューサ１００によれば、図２３に示されるように、複数の梁部６０の各々は、（１，１，１）結晶面を有する珪素（Ｓｉ）基板を含んでいる。珪素（Ｓｉ）基板の（１，１，１）の機械物性は３回対称である。このため、複数の梁部６０の各々に同一の応力が印加された場合の複数の梁部６０の変形量を互いに等しくすることができる。よって、結晶異方性を有する珪素（Ｓｉ）基板であっても、複数の梁部６０の変形量を互いに等しくすることができる。
　実施の形態７．
　次に、図２４を用いて、実施の形態７に係る測距装置２００の構成を説明する。実施の形態７に係る測距装置２００の超音波トランスデューサ１００は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２４に示されるように、本実施の形態に係る測距装置２００は、実施の形態１～６のいずれかに係る超音波トランスデューサ１００を含んでいる。
　測距装置２００は、測距装置２００から対象物３００までの距離を測定するための測距装置２００である。測距装置２００は、Time　of　Flight方式を用いて測距装置２００から対象物３００までの距離を測定するように構成されている。すなわち、測距装置２００は、対象物３００に超音波Ｗ１を送信するように構成されている。また、測距装置２００は、対象物によって反射された超音波Ｗ２を受信するように構成されている。測距装置２００は、超音波Ｗ１の送信から超音波Ｗ２の受信までの時間に基づいて測距装置２００から対象物３００までの距離を測定するように構成されている。
　電気信号が入力された第１圧電素子３が振動板２を共振周波数において振動させることで、共振周波数の超音波Ｗ１が生じる。超音波Ｗ１は、音響共振構造によって増幅される。増幅された超音波Ｗ１は、超音波トランスデューサ１００から送信波として対象物３００に向けて送信される。超音波Ｗ１は、対象物３００によって反射される。反射された超音波Ｗ２は、反射波として超音波トランスデューサ１００に到達する。到達した超音波Ｗ２は、音響共振構造によって増幅される。増幅された超音波Ｗ２は、振動板２を共振によって振動させる。振動板２の振動は、振動板２上に配置された圧電素子によって電気信号として受信される。超音波トランスデューサ１００から対象物３００までの距離がＬ、音波の送信から受信までの時間がｔ、音速がｃである場合、距離Ｌは、式（４）によって算出される。
　Ｌ＝ｃ×ｔ／２　式（４）
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態７に係る測距装置２００によれば、図２４に示されるように、測距装置２００は、実施の形態１～６のいずれかに係る超音波トランスデューサ１００を含んでいる。このため、実施の形態１～６のいずれかと同様に、超音波トランスデューサ１００の寸法精度の低下を抑制することができる。よって、測距装置２００の寸法精度の低下を抑制することができる。したがって、超音波トランスデューサ１００の発生音圧および感度の低下を抑制することができるため、測距装置２００の検知距離の低下を抑制することができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　筐体、２　振動板、３　第１圧電素子、６　梁、７　膜部、８　カバー部、９　基板、２１　中央部、２２　外周部、３０　第２圧電素子、３９　素子部、６０　梁部、１００　超音波トランスデューサ、２００　測距装置、ＩＳ　内部空間、ＯＰ　開口部、ＳＬ　スリット。

Claims (12)

  1. 　振動可能な振動板と、
    　前記振動板に接続された筐体とを備え、
    　前記振動板には、開口部が設けられており、
    　前記筐体には、前記開口部に連通する内部空間が設けられており、
    　前記振動板および前記筐体は、前記振動板の振動によって発生する超音波を前記開口部および前記内部空間によって増幅させる音響共振構造を構成しており、かつ一体的に構成されている、超音波トランスデューサ。
  2. 　前記振動板および前記筐体は、前記内部空間の容積を変更可能に構成されている、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 　第１圧電素子をさらに備え、
    　前記第１圧電素子は、前記振動板に接続されている、請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 　前記振動板は、中央部と、前記中央部の周囲に配置された外周部と、前記中央部と前記外周部との間において前記中央部と前記外周部とを接続する梁とを含み、
    　前記振動板にはスリットが設けられており、
    　前記スリットは、前記梁の周囲に設けられており、
    　前記梁は、前記振動板と前記筐体とが接続された方向に沿って屈曲可能である、請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 　第２圧電素子をさらに備え、
    　前記第２圧電素子は、前記梁に接続されている、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 　前記第２圧電素子は、複数の素子部を含み、
    　前記複数の素子部は、前記梁の長手方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている、請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
  7. 　前記梁に接続された膜部をさらに備え、
    　前記膜部は、前記振動板とは異なる熱膨張率を有している、請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
  8. 　前記振動板よりも低い剛性を有するカバー部をさらに備え、
    　前記カバー部は、前記スリットを覆うように前記振動板に配置されている、請求項４～７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  9. 　前記梁は、複数の梁部を含んでおり、
    　前記複数の梁部は、前記振動板と前記筐体とが接続された方向に沿って屈曲可能である、請求項４～８のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサ。
  10. 　前記複数の梁部の各々は、（１，１，１）結晶面を有する珪素基板を含んでいる、請求項９に記載の超音波トランスデューサ。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサを備える、測距装置。
  12. 　基板が準備される工程と、
    　前記基板から振動板と筐体とがＭＥＭＳ製造技術によって一体成型で作製され、前記振動板に開口部が形成され、前記筐体に前記開口部に連通する内部空間が形成される工程とを備え、
    　前記振動板および前記筐体は、前記振動板の振動によって発生した音を前記開口部および前記内部空間によって増幅させる音響共振構造を構成している、超音波トランスデューサの製造方法。
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