超音波センサー及び超音波センサーの製造方法
【課題】ダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値に設定することができると共に、製造工程における不具合を防止することができ、さらに開口部が形成された基部の表面を平滑にすることができる超音波センサー及び超音波センサーの製造方法を提供する。
【解決手段】開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１に設けられ開口部１１ａを閉塞する振動板２と、振動板２に設けられた圧電体３と、を備え、基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側が保護機能膜６によって覆われている。
【解決手段】開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１に設けられ開口部１１ａを閉塞する振動板２と、振動板２に設けられた圧電体３と、を備え、基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側が保護機能膜６によって覆われている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波センサー及び超音波センサーの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ダイアフラム型の超音波センサーが知られている。従来の超音波センサーは、ダイアフラムの一方の面側に２つの電極で挟んだＰＺＴセラミックスの薄膜層を有し、これらの電極から出力される電気信号を用いて超音波を検出する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１ではシリコン基板を強アルカリ性の液体とピロカテコールと水の混合液による異方性エッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製している。
【特許文献１】２００６−３１９９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の超音波センサーにおいては、シリコン基板をエッチングする際に所望の形状を得ることが困難である。特許文献１では、シリコン基板の両面を熱酸化し、片方の面の酸化膜をＢＨＦ（緩衝弗酸）によるエッチングで開口させ、開口を形成した酸化膜を介してシリコン基板を上記の混合液により異方性エッチングしている。
【０００４】
そのため、基板の異方性エッチングが進行すると、エッチングにより基板に形成された開口部が基板の反対側の面に形成された酸化膜に到達し、酸化膜の基板側の面が開口部に露出される。開口部に露出した酸化膜は、上記の混合液によって僅かながらエッチングされる。これにより、基板の開口部を閉塞する酸化膜が設計値よりも目減りして薄くなってしまう。そのため、ダイアフラムとして機能する酸化膜において、所望の共振周波数を得ることが困難になるという課題がある。
【０００５】
また、開口部の径を例えば４００μｍとし、開口部に露出した酸化膜の共振周波数を約３００ｋＨｚと設定すると、必要な酸化膜の厚さは約３μｍとなる。そのため、上記のように酸化膜が目減りして薄くなることを考慮して、酸化膜の厚さを設計値よりも厚く形成する必要がある。ところが、酸化膜の厚さが厚くなると、酸化膜を基板の表面に熱酸化によって形成する場合に基板に反りが発生して後の工程に不具合を生じてしまうという課題がある。
【０００６】
また、異方性エッチングにおいては、基板の表面が浸食されて荒れた状態となってしまうという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、ダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値に設定することができると共に、製造工程における不具合を防止することができ、さらに開口部が形成された基部の表面を平滑にすることができる超音波センサー及び超音波センサーの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波センサーは、超音波を発信又は受信する超音波センサーであって、開口部が形成された基部と、前記基部に設けられ前記開口部を閉塞する振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、前記基部及び振動板の前記圧電体が設けられた側と反対側が保護機能膜によって覆われていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することで、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さを保護機能膜の厚さによって補うことができる。したがって、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板を覆う保護機能膜の厚さを調整することで、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
また、振動板の厚さを変更せず、保護機能膜を厚くすることで振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板の厚さ薄くして基部の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部に開口部を形成する際に基部の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部の表面を覆う保護機能膜によって基部の表面を平滑にすることができる。
【００１０】
また、本発明の超音波センサーは、前記圧電体は前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられ、前記振動領域において、前記振動板と前記保護機能膜とが積層されていることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することで、圧電体に所定の電圧を印加して振動領域において振動板と保護機能膜からなるダイアフラムを振動させ、超音波を発信することができる。
また、振動領域のダイアフラムに入射した超音波によりダイアフラムが振動し、圧電体が変形する。したがって、超音波によるダイアフラムの振動を電気信号に変換して外部に出力することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波センサーは、前記保護機能膜の厚さは、前記振動領域における前記振動板及び前記保護機能膜の共振周波数に基づいて決定されていることを特徴とする。
【００１３】
このように構成することで、保護機能膜の膜厚を調整し、前記振動板と前記保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を所望の値にすることができる。
【００１４】
また、本発明の超音波センサーは、前記基部はシリコンにより形成され、前記振動板はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することで、基部の表面を熱酸化させて振動板を形成することができる。これにより、超音波センサーの製造工程を容易にして、生産性を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の超音波センサーは、前記保護機能膜はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することで、保護機能膜を例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により所定の膜厚に精密に形成し、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を所望の値にすることができる。また、振動板がシリコン酸化物により形成されている場合には、振動板と保護機能膜との結合を強固にすることができると共に、ダイアフラムの固有振動数の設定を容易にすることができる。
【００１８】
また、本発明の超音波センサーの製造方法は、超音波を発信又は受信する超音波センサーの製造方法であって、シリコンからなる基部の表面に酸化膜を形成する工程と、前記基部の前記酸化膜とは反対側に、前記酸化膜を露出させる開口部を形成する工程と、前記基部の前記酸化膜とは反対側に前記基部及び前記酸化膜を覆う保護機能膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このように製造することで、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さを保護機能膜の厚さによって補うことができる。したがって、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板を覆う保護機能膜の厚さを調整することで、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
また、保護機能膜を厚くすることで振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を低下させることができ、振動板の厚さを従来よりも薄くすることができる。したがって、振動板を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板の厚さ薄くして基部の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部に開口部を形成する際に基部の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部の表面を覆う保護機能膜によって基部の表面を平滑にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
図１は本実施形態のＰＤＡ（Personal Data Assistance）１００の構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡ１００が備える超音波センサーアレイ１０の構成を模式的に表す分解斜視図である。図３は本実施形態の超音波センサーアレイ１０の制御部４０の構成を模式的に表すシステム構成図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態のＰＤＡ１００は本体３０に表示部２０を備えている。表示部２０は例えば液晶パネルや有機ＥＬパネル等からなり、本体３０内部に収容された演算・制御部に接続され、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、本体３０の外周には、超音波センサーアレイ１０が設置されている。超音波センサーアレイ１０は、例えば人間の手、指、入力用のペン等の形状や動作を検出してＰＤＡ１００への入力とする入力装置として機能する。
【００２２】
図２に示すように、超音波センサーアレイ１０は複数の開口部１１ａがアレイ状に形成された基部１１を備えている。基部１１は例えば単結晶シリコン基板等により形成されている。開口部１１ａの各々には、超音波センサー１が設けられている。すなわち、超音波センサーアレイ１０は基部１１の一面に複数の超音波センサー１がアレイ状に配置された構成となっている。
【００２３】
各々の超音波センサー１にはそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線は基部１１に接続されたフレキシブルプリント基板１２を介して制御基板１３の端子部１３ａに接続されている。制御基板１３には演算部、記憶部等からなる制御部４０が設けられている。制御部４０は、超音波センサー１に入力する入力信号を制御すると共に、超音波センサー１から出力された出力信号を処理するように構成されている。
【００２４】
図３に示すように、制御部４０は超音波センサーアレイ１０に接続され、主に制御・演算部４１と、記憶部４２と、超音波発生部４３と、超音波検出部４４と、送受信を切り替えるＴ／Ｒスイッチ４５とを備えている。超音波発生部４３は、サイン波を発生させるサイン波発生部４３ａと、個々の超音波センサー１に設けられサイン波の位相を変化させる移相部４３ｂと、ドライバー４３ｃとにより構成されている。超音波検出部４４は、主に増幅部４４ａと、Ａ／Ｄ変換部４４ｂとにより構成されている。
【００２５】
制御・演算部４１は、超音波センサーアレイ１０による超音波の発信時には、サイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂによりサイン波を個々の超音波センサー１に対応する位相に変化させる。また、制御・演算部４１は、超音波センサーアレイ１０の超音波の受信時には、Ｔ／Ｒスイッチ４５を切り換えて超音波センサーアレイ１０から出力された出力信号を増幅部４４ａに伝送させる。また、制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された情報をＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）に出力可能に構成されている。
【００２６】
図４は、図２に示す超音波センサーアレイをＡ−Ａ’線で切断し、超音波センサー１の一つを拡大した拡大断面図である。
ここで、図２では基部１１に設けられた開口部１１ａの形状を平面視で矩形状に表したが、以下では開口部１１ａの形状が平面視で円形状である場合について説明する。
【００２７】
図４に示す本実施形態の超音波センサー１は、超音波を発信又は受信する超音波センサーである。超音波センサー１は、開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。
基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１８０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００２８】
振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ２により形成された第１酸化膜２ａと、第１酸化膜２ａの基部１１とは反対側に積層され例えばＺｒＯ２により形成された第２酸化膜２ｂとの二層構造となっている。第１酸化膜２ａは例えば単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることにより約２μｍ程度の厚さに形成されている。第２酸化膜２ｂは例えばＣＶＤ（化学気相成長）法等により例えば約４００ｎｍ程度の厚さに形成されている。
【００２９】
振動板２が開口部１１ａと平面的に重なって開口部１１ａに露出された領域は、振動板２の振動領域Ｖとなっている。開口部１１ａの径Ｄは振動領域Ｖの振動板２の固有振動数に応じて例えば約１００μｍ〜数百μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。
【００３０】
下部電極４は、超音波センサーアレイ１０の制御部４０に接続された配線（図示略）に接続されている。下部電極４は例えばＩｒ等の導電性金属材料により約２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。下部電極４上には下部電極４を覆うように振動領域Ｖ及びその境界の外側に圧電体３が設けられている。
【００３１】
圧電体３は振動板の基部１１とは反対側で開口部１１ａと平面的に重なる振動領域Ｖに島状に設けられている。圧電体３は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等により形成されている。圧電体３の上には上部電極５が形成されている。
【００３２】
上部電極５は例えばＩｒ等の導電性金属材料により形成され、圧電体３に接触して電気的に接続されている。上部電極５の厚さは例えば約５０ｎｍ程度となっている。また、上部電極５は配線７ａ，７ｂを介して超音波センサーアレイ１０の制御部４０に接続されている。
【００３３】
基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側は保護機能膜６によって覆われており、振動領域Ｖにおいて振動板２と保護機能膜６とが積層されている。すなわち、振動領域Ｖにおいて振動板２と保護機能膜６とが超音波センサー１のダイアフラム８を形成している。
【００３４】
保護機能膜６は例えばＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成されている。保護機能膜６は例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により形成され、厚さＴは振動領域Ｖにおけるダイアフラム８の共振周波数に基づいて決定されている。
【００３５】
具体的には、ダイアフラム８の径Ｄが例えば約４００μｍ程度の場合に、ダイアフラム８の共振周波数を３００ｋＨｚに設定すると、必要なダイアフラム８の厚さＴｄは約３μｍ程度となる。そのため、振動領域Ｖにおける振動板２の厚さＴｖが例えば約２μｍ程度の場合には、保護機能膜６の厚さＴは、予め設定したダイアフラム８の共振周波数に基づいて約１μｍ程度に決定される。
【００３６】
次に、本実施形態のＰＤＡ１００、超音波センサーアレイ１０及び超音波センサー１の作用について説明する。
図１に示すように、ＰＤＡ１００において人間の手や指の形状や動作を検出する際には、超音波センサーアレイ１０により検出領域に超音波を発信する。
【００３７】
まず、超音波センサーアレイ１０の制御部４０により、発信用の超音波センサー１の上部電極５と下部電極４との間に電圧を印加する。
具体的には、図３に示すように制御部４０のサイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂ、ドライバー４３ｃ、Ｔ／Ｒスイッチ４５を介して超音波センサーアレイ１０の各々の超音波センサー１の第１下部電極１４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。
【００３８】
図４に示すように振動板２の振動領域Ｖに形成された圧電体３は、上部電極５と下部電極４との間にサイン波電圧が印加されると、振動板２の面方向に伸長されたり圧縮されたりする。
圧電体３が振動板２の面方向に伸長されると、振動板２の圧電体３側が面方向に伸長され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凸（図の下方向に凸）となるように撓む。
【００３９】
また、圧電体３が振動板２の面方向に圧縮されると、振動板２の圧電体３側が面方向に圧縮され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。
これにより、ダイアフラム８の振動領域Ｖが振動板２の法線方向に振動し、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖからサイン波電圧の周期に応じた振動数の超音波が発信される。
【００４０】
このとき、各々の超音波センサー１の第１下部電極４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加することで、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。
各々の超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波センサー１から発せられる超音波が干渉する。この超音波の干渉により、超音波の進行方向がダイアフラム８の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。
【００４１】
この超音波の指向性の変化を利用し、各々の超音波センサー１の圧電体３に印加するサイン波電圧の位相のずれを変化させることで、図１に示す超音波センサーアレイ１０から発信される超音波の方向を変化させ、ＰＤＡ１００の検出領域を走査する。
【００４２】
このとき、図１に示すように検出領域内に例えば人間の手や指が存在すると、超音波センサーアレイ１０から発信された超音波は人間の手や指によって反射する。人間の手や指によって反射した超音波が超音波センサーアレイ１０の受信用の超音波センサー１に到達すると、超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８が振動する。振動領域Ｖのダイアフラム８が振動すると、圧電体３が振動板２の面方向の伸縮に伴って伸縮され、圧電体３に電位差が発生する。
【００４３】
圧電体３に発生した電位差は、上部電極５及び下部電極に接続された配線（図示略）によって超音波センサー１の出力信号として超音波センサーアレイ１０の制御部４０に伝送される。超音波センサーアレイ１０の制御部４０に伝送された個々の超音波センサー１からの出力信号は、Ｔ／Ｒスイッチ４５、増幅部４４ａ、Ａ／Ｄ変換部４４ｂを介して記憶部４２に記憶される。制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された個々の超音波センサー１の出力信号から検出領域の人間の手や指までの距離や移動速度を算出して出力する。
【００４４】
ＰＤＡ１００の演算制御部（図示略）は超音波センサーアレイ１０から出力された人間の手や指までの距離や移動速度から手や指の状態や動作を認識し、予め登録された手や指の状態や動作と比較する。比較の結果、検出した人間の手や指の状態や動作が予め登録されたものと一致すれば、ＰＤＡ１００の演算制御部は人間の手や指の形状や動作を所定の入力として認識し、例えば表示部２０に画像を表示させる等、予め登録された所定の動作を実行する。
したがって、本実施形態のＰＤＡ１００によれば、超音波センサーアレイ１０を入力装置として機能させることができる。
【００４５】
ここで、超音波センサーアレイ１０が備える超音波センサー１は、基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側が保護機能膜６によって覆われ、振動領域Ｖにおいて、振動板２と保護機能膜６とが積層されてダイアフラム８を形成している。そのため、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖを保護機能膜６の厚さＴによって補うことができる。したがって、振動板２の厚さＴｖが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板２を覆う保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
【００４６】
また、振動板２の厚さＴｖを変更せず保護機能膜６の厚さＴを厚くすることで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板２を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板２の厚さＴを薄くして基部１１の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
【００４７】
また、基部１１の表面を覆う保護機能膜６を形成することで、基部１１に開口部１１ａを形成する際に基部１１の表面が荒れた状態になった場合であっても、保護機能膜６によって基部１１の表面を平滑にすることができる。
また、基部１１の表面をシリコン酸化物からなる保護機能膜６によって覆うことで、超音波センサー１の耐薬品性を向上させることができる。
【００４８】
また、超音波センサー１は、圧電体３が振動板２の基部１１とは反対側で開口部１１ａと平面的に重なる振動領域Ｖに設けられている。そのため、圧電体３によってダイアフラム８を振動させ、超音波を発信することができる。また、振動領域Ｖのダイアフラム８に入射した超音波によりダイアフラム８が振動し、圧電体３が変形する。したがって、超音波によるダイアフラム８の振動を電気信号に変換して出力することができる。
【００４９】
また、超音波センサー１は、保護機能膜６の厚さＴが振動領域Ｖにおけるダイアフラム８の共振周波数に基づいて決定されている。すなわち、保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を所望の値にすることができる。
【００５０】
また、超音波センサー１は、単結晶シリコン基板により形成された基部１１を備え、振動板２はＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成された第１酸化膜２ａと、ＺｒＯ２等により形成された第２酸化膜２ｂとにより形成されている。そのため、基部１１の表面を熱酸化させて振動板２の第１酸化膜２ａを形成することができる。これにより、超音波センサー１の製造を容易にして、生産性を向上させることができる。
【００５１】
また、超音波センサー１は、保護機能膜６がＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成されている。そのため、保護機能膜６を例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により所定の厚さＴに精密に形成し、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を所望の値にすることができる。
【００５２】
また、保護機能膜６と振動板２の第１酸化膜２ａの材質が等しくなり、保護機能膜６と振動板２とを強固に結合させることができる。また、保護機能膜６と振動板２の第１酸化膜２ａの材質を同一とすることで、密度を略等しくしてダイアフラム８の共振周波数の設定を容易にすることができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態の超音波センサー１によれば、ダイアフラム８の共振周波数を容易に所望の値に設定することができる。加えて、製造工程における不具合を防止することができ、さらに開口部１１ａが形成された基部１１の表面を平滑にすることができる。
【００５４】
次に、図４を用いて本実施形態の超音波センサー１の製造方法について説明する。
まず、基部１１となる単結晶シリコン基板を用意し、表面を熱酸化することで図４に示す第１酸化膜２ａを形成する。このとき、第１酸化膜２ａの膜厚は例えば約２μｍ程度に形成する。
【００５５】
次に、第１酸化膜２ａの表面に例えばＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法等により第２酸化膜２ｂを形成し、第１酸化膜２ａと第２酸化膜２ｂからなる振動板２を形成する。このとき、第２酸化膜２ｂの膜厚は、各々の超音波センサー１の共振周波数に対応して例えば約１μｍ程度に形成する。
【００５６】
次に、単結晶シリコン基板の振動板２が形成された面と反対側の面に、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法により露光・現像して基部１１の開口部１１ａの平面形状に対応する開口部を有するレジストパターンを形成する。
次に、振動板２の振動領域Ｖに公知の方法により下部電極４、圧電体３、上部電極５、配線７ａ，７ｂ等を形成する。
次いで、レジストパターンを介して単結晶シリコン基板の振動板２が形成された面と反対側の面を異方性エッチングすることで開口部１１ａを形成し、開口部１１ａに振動板２の第１酸化膜２ａを露出させ、基部１１を形成する。異方性エッチングは例えばドライエッチングにより行うことができる。
【００５７】
このような異方性エッチングにおいては、開口部１１ａが第１酸化膜２ａに到達すると、第１酸化膜２ａがエッチングされて第１酸化膜２ａの膜厚が目減りする場合がある。また、開口部１１ａを形成する際に、例えば開口部１１ａの内側面等、基部１１の表面が荒れて平滑性が低下してしまう場合がある。
【００５８】
そこで、本実施形態では、単結晶シリコン基板を異方性エッチングして開口部１１ａを有する基部１１を形成した後、基部１１の第１酸化膜２ａが形成された面とは反対側の面に基部１１及び第１酸化膜２ａを覆う保護機能膜６を形成する。保護機能膜６は例えばＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法等により形成することができる。このとき、保護機能膜６の膜厚は、振動領域Ｖのダイアフラム８が所望の固有振動数となるように、振動板２の厚さＴｖを考慮して設定する。本実施形態では、ダイアフラム８の厚さＴｄが約３μｍ程度となるように膜厚を計測しながら保護機能膜６を形成する。
【００５９】
このように製造することで、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖを保護機能膜６の厚さＴによって補うことができる。したがって、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板２を覆う保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム７の共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
【００６０】
また、振動板２の厚さＴｖを変更せず、保護機能膜６を厚くすることで振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム７の共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板２を熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板２の厚さＴｖを薄くして基部１１の反りを防止することができる。したがって、例えばフォトレジストの異常露光等、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部１１に開口部１１ａを形成する際に基部１１の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部１１の表面を覆う保護機能膜６によって基部１１の表面を平滑にすることができる。
【００６１】
このとき、基部１１の表面に保護機能膜６が形成されているので、基部１１の耐薬品性を向上させることができる。
以上により、本実施形態の超音波センサー１を製造することができる。また、複数の超音波センサー１を基部１１にアレイ状に形成することで、図２に示すような超音波センサーアレイ１０を製造することができる。
【００６２】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、振動板の材料としては、シリコン酸化物以外にも、ニッケル、クロム、アルミニウムのような金属材料及び、それらの酸化物であるセラミック材料、シリコン、有機樹脂を用いた高分子有機物等を用いることができる。
また、酸化膜は基板表面の熱酸化以外に、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、塗布等により形成してもよい。
また、保護機能膜は酸化物ではなく、ＳｉＮ等の窒化物により形成してもよい。
また、基部に形成する開口部の平面形状は矩形状や円形状に限られない。
また、ＰＤＡは複数の超音波センサーアレイを備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第一実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態における超音波センサーアレイの斜視図である。
【図３】図２に示す超音波センサーアレイの制御部のシステム構成図である。
【図４】図２のＡ−Ａ’線に沿う超音波センサーの断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 超音波センサー、２ 振動板、２ａ 第１酸化膜（酸化膜）、２ｂ 第２酸化膜（酸化膜）、３ 圧電体、６ 保護機能膜、１１ 基部、１１ａ 開口部、Ｔ 厚さ、Ｖ 振動領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波センサー及び超音波センサーの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ダイアフラム型の超音波センサーが知られている。従来の超音波センサーは、ダイアフラムの一方の面側に２つの電極で挟んだＰＺＴセラミックスの薄膜層を有し、これらの電極から出力される電気信号を用いて超音波を検出する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１ではシリコン基板を強アルカリ性の液体とピロカテコールと水の混合液による異方性エッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製している。
【特許文献１】２００６−３１９９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の超音波センサーにおいては、シリコン基板をエッチングする際に所望の形状を得ることが困難である。特許文献１では、シリコン基板の両面を熱酸化し、片方の面の酸化膜をＢＨＦ（緩衝弗酸）によるエッチングで開口させ、開口を形成した酸化膜を介してシリコン基板を上記の混合液により異方性エッチングしている。
【０００４】
そのため、基板の異方性エッチングが進行すると、エッチングにより基板に形成された開口部が基板の反対側の面に形成された酸化膜に到達し、酸化膜の基板側の面が開口部に露出される。開口部に露出した酸化膜は、上記の混合液によって僅かながらエッチングされる。これにより、基板の開口部を閉塞する酸化膜が設計値よりも目減りして薄くなってしまう。そのため、ダイアフラムとして機能する酸化膜において、所望の共振周波数を得ることが困難になるという課題がある。
【０００５】
また、開口部の径を例えば４００μｍとし、開口部に露出した酸化膜の共振周波数を約３００ｋＨｚと設定すると、必要な酸化膜の厚さは約３μｍとなる。そのため、上記のように酸化膜が目減りして薄くなることを考慮して、酸化膜の厚さを設計値よりも厚く形成する必要がある。ところが、酸化膜の厚さが厚くなると、酸化膜を基板の表面に熱酸化によって形成する場合に基板に反りが発生して後の工程に不具合を生じてしまうという課題がある。
【０００６】
また、異方性エッチングにおいては、基板の表面が浸食されて荒れた状態となってしまうという課題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、ダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値に設定することができると共に、製造工程における不具合を防止することができ、さらに開口部が形成された基部の表面を平滑にすることができる超音波センサー及び超音波センサーの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波センサーは、超音波を発信又は受信する超音波センサーであって、開口部が形成された基部と、前記基部に設けられ前記開口部を閉塞する振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、前記基部及び振動板の前記圧電体が設けられた側と反対側が保護機能膜によって覆われていることを特徴とする。
【０００９】
このように構成することで、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さを保護機能膜の厚さによって補うことができる。したがって、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板を覆う保護機能膜の厚さを調整することで、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
また、振動板の厚さを変更せず、保護機能膜を厚くすることで振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板の厚さ薄くして基部の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部に開口部を形成する際に基部の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部の表面を覆う保護機能膜によって基部の表面を平滑にすることができる。
【００１０】
また、本発明の超音波センサーは、前記圧電体は前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられ、前記振動領域において、前記振動板と前記保護機能膜とが積層されていることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することで、圧電体に所定の電圧を印加して振動領域において振動板と保護機能膜からなるダイアフラムを振動させ、超音波を発信することができる。
また、振動領域のダイアフラムに入射した超音波によりダイアフラムが振動し、圧電体が変形する。したがって、超音波によるダイアフラムの振動を電気信号に変換して外部に出力することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波センサーは、前記保護機能膜の厚さは、前記振動領域における前記振動板及び前記保護機能膜の共振周波数に基づいて決定されていることを特徴とする。
【００１３】
このように構成することで、保護機能膜の膜厚を調整し、前記振動板と前記保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を所望の値にすることができる。
【００１４】
また、本発明の超音波センサーは、前記基部はシリコンにより形成され、前記振動板はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することで、基部の表面を熱酸化させて振動板を形成することができる。これにより、超音波センサーの製造工程を容易にして、生産性を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の超音波センサーは、前記保護機能膜はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することで、保護機能膜を例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により所定の膜厚に精密に形成し、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を所望の値にすることができる。また、振動板がシリコン酸化物により形成されている場合には、振動板と保護機能膜との結合を強固にすることができると共に、ダイアフラムの固有振動数の設定を容易にすることができる。
【００１８】
また、本発明の超音波センサーの製造方法は、超音波を発信又は受信する超音波センサーの製造方法であって、シリコンからなる基部の表面に酸化膜を形成する工程と、前記基部の前記酸化膜とは反対側に、前記酸化膜を露出させる開口部を形成する工程と、前記基部の前記酸化膜とは反対側に前記基部及び前記酸化膜を覆う保護機能膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１９】
このように製造することで、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さを保護機能膜の厚さによって補うことができる。したがって、基部の開口部を閉塞する振動板の厚さが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板を覆う保護機能膜の厚さを調整することで、振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
また、保護機能膜を厚くすることで振動板と保護機能膜からなるダイアフラムの共振周波数を低下させることができ、振動板の厚さを従来よりも薄くすることができる。したがって、振動板を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板の厚さ薄くして基部の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部に開口部を形成する際に基部の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部の表面を覆う保護機能膜によって基部の表面を平滑にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や部材毎に縮尺を適宜変更している。
図１は本実施形態のＰＤＡ（Personal Data Assistance）１００の構成を模式的に表す斜視図である。図２は本実施形態のＰＤＡ１００が備える超音波センサーアレイ１０の構成を模式的に表す分解斜視図である。図３は本実施形態の超音波センサーアレイ１０の制御部４０の構成を模式的に表すシステム構成図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態のＰＤＡ１００は本体３０に表示部２０を備えている。表示部２０は例えば液晶パネルや有機ＥＬパネル等からなり、本体３０内部に収容された演算・制御部に接続され、種々の操作画像やその他の情報を表示するように構成されている。また、本体３０の外周には、超音波センサーアレイ１０が設置されている。超音波センサーアレイ１０は、例えば人間の手、指、入力用のペン等の形状や動作を検出してＰＤＡ１００への入力とする入力装置として機能する。
【００２２】
図２に示すように、超音波センサーアレイ１０は複数の開口部１１ａがアレイ状に形成された基部１１を備えている。基部１１は例えば単結晶シリコン基板等により形成されている。開口部１１ａの各々には、超音波センサー１が設けられている。すなわち、超音波センサーアレイ１０は基部１１の一面に複数の超音波センサー１がアレイ状に配置された構成となっている。
【００２３】
各々の超音波センサー１にはそれぞれ配線（図示略）が接続され、各配線は基部１１に接続されたフレキシブルプリント基板１２を介して制御基板１３の端子部１３ａに接続されている。制御基板１３には演算部、記憶部等からなる制御部４０が設けられている。制御部４０は、超音波センサー１に入力する入力信号を制御すると共に、超音波センサー１から出力された出力信号を処理するように構成されている。
【００２４】
図３に示すように、制御部４０は超音波センサーアレイ１０に接続され、主に制御・演算部４１と、記憶部４２と、超音波発生部４３と、超音波検出部４４と、送受信を切り替えるＴ／Ｒスイッチ４５とを備えている。超音波発生部４３は、サイン波を発生させるサイン波発生部４３ａと、個々の超音波センサー１に設けられサイン波の位相を変化させる移相部４３ｂと、ドライバー４３ｃとにより構成されている。超音波検出部４４は、主に増幅部４４ａと、Ａ／Ｄ変換部４４ｂとにより構成されている。
【００２５】
制御・演算部４１は、超音波センサーアレイ１０による超音波の発信時には、サイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂによりサイン波を個々の超音波センサー１に対応する位相に変化させる。また、制御・演算部４１は、超音波センサーアレイ１０の超音波の受信時には、Ｔ／Ｒスイッチ４５を切り換えて超音波センサーアレイ１０から出力された出力信号を増幅部４４ａに伝送させる。また、制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された情報をＰＤＡ１００の制御・演算部（図示略）に出力可能に構成されている。
【００２６】
図４は、図２に示す超音波センサーアレイをＡ−Ａ’線で切断し、超音波センサー１の一つを拡大した拡大断面図である。
ここで、図２では基部１１に設けられた開口部１１ａの形状を平面視で矩形状に表したが、以下では開口部１１ａの形状が平面視で円形状である場合について説明する。
【００２７】
図４に示す本実施形態の超音波センサー１は、超音波を発信又は受信する超音波センサーである。超音波センサー１は、開口部１１ａが形成された基部１１と、基部１１の開口部１１ａを閉塞するように設けられた振動板２と、振動板２の基部１１と反対側に設けられた圧電体３と、圧電体３に接続された下部電極４及び上部電極５とを備えている。
基部１１に形成された開口部１１ａの深さｄは、例えば約１８０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００２８】
振動板２は、基部１１側に設けられ例えばＳｉＯ２により形成された第１酸化膜２ａと、第１酸化膜２ａの基部１１とは反対側に積層され例えばＺｒＯ２により形成された第２酸化膜２ｂとの二層構造となっている。第１酸化膜２ａは例えば単結晶シリコン基板の表面を熱酸化させることにより約２μｍ程度の厚さに形成されている。第２酸化膜２ｂは例えばＣＶＤ（化学気相成長）法等により例えば約４００ｎｍ程度の厚さに形成されている。
【００２９】
振動板２が開口部１１ａと平面的に重なって開口部１１ａに露出された領域は、振動板２の振動領域Ｖとなっている。開口部１１ａの径Ｄは振動領域Ｖの振動板２の固有振動数に応じて例えば約１００μｍ〜数百μｍ程度の範囲で適宜設定されている。
振動板２の振動領域Ｖで基部１１と反対側の面には下部電極４が設けられている。
【００３０】
下部電極４は、超音波センサーアレイ１０の制御部４０に接続された配線（図示略）に接続されている。下部電極４は例えばＩｒ等の導電性金属材料により約２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。下部電極４上には下部電極４を覆うように振動領域Ｖ及びその境界の外側に圧電体３が設けられている。
【００３１】
圧電体３は振動板の基部１１とは反対側で開口部１１ａと平面的に重なる振動領域Ｖに島状に設けられている。圧電体３は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）等により形成されている。圧電体３の上には上部電極５が形成されている。
【００３２】
上部電極５は例えばＩｒ等の導電性金属材料により形成され、圧電体３に接触して電気的に接続されている。上部電極５の厚さは例えば約５０ｎｍ程度となっている。また、上部電極５は配線７ａ，７ｂを介して超音波センサーアレイ１０の制御部４０に接続されている。
【００３３】
基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側は保護機能膜６によって覆われており、振動領域Ｖにおいて振動板２と保護機能膜６とが積層されている。すなわち、振動領域Ｖにおいて振動板２と保護機能膜６とが超音波センサー１のダイアフラム８を形成している。
【００３４】
保護機能膜６は例えばＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成されている。保護機能膜６は例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により形成され、厚さＴは振動領域Ｖにおけるダイアフラム８の共振周波数に基づいて決定されている。
【００３５】
具体的には、ダイアフラム８の径Ｄが例えば約４００μｍ程度の場合に、ダイアフラム８の共振周波数を３００ｋＨｚに設定すると、必要なダイアフラム８の厚さＴｄは約３μｍ程度となる。そのため、振動領域Ｖにおける振動板２の厚さＴｖが例えば約２μｍ程度の場合には、保護機能膜６の厚さＴは、予め設定したダイアフラム８の共振周波数に基づいて約１μｍ程度に決定される。
【００３６】
次に、本実施形態のＰＤＡ１００、超音波センサーアレイ１０及び超音波センサー１の作用について説明する。
図１に示すように、ＰＤＡ１００において人間の手や指の形状や動作を検出する際には、超音波センサーアレイ１０により検出領域に超音波を発信する。
【００３７】
まず、超音波センサーアレイ１０の制御部４０により、発信用の超音波センサー１の上部電極５と下部電極４との間に電圧を印加する。
具体的には、図３に示すように制御部４０のサイン波発生部４３ａによりサイン波を発生させ、移相部４３ｂ、ドライバー４３ｃ、Ｔ／Ｒスイッチ４５を介して超音波センサーアレイ１０の各々の超音波センサー１の第１下部電極１４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加する。
【００３８】
図４に示すように振動板２の振動領域Ｖに形成された圧電体３は、上部電極５と下部電極４との間にサイン波電圧が印加されると、振動板２の面方向に伸長されたり圧縮されたりする。
圧電体３が振動板２の面方向に伸長されると、振動板２の圧電体３側が面方向に伸長され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凸（図の下方向に凸）となるように撓む。
【００３９】
また、圧電体３が振動板２の面方向に圧縮されると、振動板２の圧電体３側が面方向に圧縮され、振動板２の振動領域Ｖが基部１１側に凹（図の上方向に凸）となるように撓む。
これにより、ダイアフラム８の振動領域Ｖが振動板２の法線方向に振動し、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖからサイン波電圧の周期に応じた振動数の超音波が発信される。
【００４０】
このとき、各々の超音波センサー１の第１下部電極４ａに少しずつ位相をずらしたサイン波電圧を印加することで、各々の超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８は、少しずつ位相がずれた状態で振動する。
各々の超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８が少しずつ位相のずれた状態で振動することで、各々の超音波センサー１から発せられる超音波が干渉する。この超音波の干渉により、超音波の進行方向がダイアフラム８の法線方向に対して傾いた状態となり、超音波に指向性が付与される。
【００４１】
この超音波の指向性の変化を利用し、各々の超音波センサー１の圧電体３に印加するサイン波電圧の位相のずれを変化させることで、図１に示す超音波センサーアレイ１０から発信される超音波の方向を変化させ、ＰＤＡ１００の検出領域を走査する。
【００４２】
このとき、図１に示すように検出領域内に例えば人間の手や指が存在すると、超音波センサーアレイ１０から発信された超音波は人間の手や指によって反射する。人間の手や指によって反射した超音波が超音波センサーアレイ１０の受信用の超音波センサー１に到達すると、超音波センサー１の振動領域Ｖのダイアフラム８が振動する。振動領域Ｖのダイアフラム８が振動すると、圧電体３が振動板２の面方向の伸縮に伴って伸縮され、圧電体３に電位差が発生する。
【００４３】
圧電体３に発生した電位差は、上部電極５及び下部電極に接続された配線（図示略）によって超音波センサー１の出力信号として超音波センサーアレイ１０の制御部４０に伝送される。超音波センサーアレイ１０の制御部４０に伝送された個々の超音波センサー１からの出力信号は、Ｔ／Ｒスイッチ４５、増幅部４４ａ、Ａ／Ｄ変換部４４ｂを介して記憶部４２に記憶される。制御・演算部４１は、記憶部４２に記憶された個々の超音波センサー１の出力信号から検出領域の人間の手や指までの距離や移動速度を算出して出力する。
【００４４】
ＰＤＡ１００の演算制御部（図示略）は超音波センサーアレイ１０から出力された人間の手や指までの距離や移動速度から手や指の状態や動作を認識し、予め登録された手や指の状態や動作と比較する。比較の結果、検出した人間の手や指の状態や動作が予め登録されたものと一致すれば、ＰＤＡ１００の演算制御部は人間の手や指の形状や動作を所定の入力として認識し、例えば表示部２０に画像を表示させる等、予め登録された所定の動作を実行する。
したがって、本実施形態のＰＤＡ１００によれば、超音波センサーアレイ１０を入力装置として機能させることができる。
【００４５】
ここで、超音波センサーアレイ１０が備える超音波センサー１は、基部１１及び振動板２の圧電体３が設けられた側と反対側が保護機能膜６によって覆われ、振動領域Ｖにおいて、振動板２と保護機能膜６とが積層されてダイアフラム８を形成している。そのため、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖを保護機能膜６の厚さＴによって補うことができる。したがって、振動板２の厚さＴｖが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板２を覆う保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
【００４６】
また、振動板２の厚さＴｖを変更せず保護機能膜６の厚さＴを厚くすることで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板２を例えば熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板２の厚さＴを薄くして基部１１の反りを防止し、後の製造工程における不具合を防止することができる。
【００４７】
また、基部１１の表面を覆う保護機能膜６を形成することで、基部１１に開口部１１ａを形成する際に基部１１の表面が荒れた状態になった場合であっても、保護機能膜６によって基部１１の表面を平滑にすることができる。
また、基部１１の表面をシリコン酸化物からなる保護機能膜６によって覆うことで、超音波センサー１の耐薬品性を向上させることができる。
【００４８】
また、超音波センサー１は、圧電体３が振動板２の基部１１とは反対側で開口部１１ａと平面的に重なる振動領域Ｖに設けられている。そのため、圧電体３によってダイアフラム８を振動させ、超音波を発信することができる。また、振動領域Ｖのダイアフラム８に入射した超音波によりダイアフラム８が振動し、圧電体３が変形する。したがって、超音波によるダイアフラム８の振動を電気信号に変換して出力することができる。
【００４９】
また、超音波センサー１は、保護機能膜６の厚さＴが振動領域Ｖにおけるダイアフラム８の共振周波数に基づいて決定されている。すなわち、保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を所望の値にすることができる。
【００５０】
また、超音波センサー１は、単結晶シリコン基板により形成された基部１１を備え、振動板２はＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成された第１酸化膜２ａと、ＺｒＯ２等により形成された第２酸化膜２ｂとにより形成されている。そのため、基部１１の表面を熱酸化させて振動板２の第１酸化膜２ａを形成することができる。これにより、超音波センサー１の製造を容易にして、生産性を向上させることができる。
【００５１】
また、超音波センサー１は、保護機能膜６がＳｉＯ２等のシリコン酸化物により形成されている。そのため、保護機能膜６を例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法等により所定の厚さＴに精密に形成し、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム８の共振周波数を所望の値にすることができる。
【００５２】
また、保護機能膜６と振動板２の第１酸化膜２ａの材質が等しくなり、保護機能膜６と振動板２とを強固に結合させることができる。また、保護機能膜６と振動板２の第１酸化膜２ａの材質を同一とすることで、密度を略等しくしてダイアフラム８の共振周波数の設定を容易にすることができる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態の超音波センサー１によれば、ダイアフラム８の共振周波数を容易に所望の値に設定することができる。加えて、製造工程における不具合を防止することができ、さらに開口部１１ａが形成された基部１１の表面を平滑にすることができる。
【００５４】
次に、図４を用いて本実施形態の超音波センサー１の製造方法について説明する。
まず、基部１１となる単結晶シリコン基板を用意し、表面を熱酸化することで図４に示す第１酸化膜２ａを形成する。このとき、第１酸化膜２ａの膜厚は例えば約２μｍ程度に形成する。
【００５５】
次に、第１酸化膜２ａの表面に例えばＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法等により第２酸化膜２ｂを形成し、第１酸化膜２ａと第２酸化膜２ｂからなる振動板２を形成する。このとき、第２酸化膜２ｂの膜厚は、各々の超音波センサー１の共振周波数に対応して例えば約１μｍ程度に形成する。
【００５６】
次に、単結晶シリコン基板の振動板２が形成された面と反対側の面に、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法により露光・現像して基部１１の開口部１１ａの平面形状に対応する開口部を有するレジストパターンを形成する。
次に、振動板２の振動領域Ｖに公知の方法により下部電極４、圧電体３、上部電極５、配線７ａ，７ｂ等を形成する。
次いで、レジストパターンを介して単結晶シリコン基板の振動板２が形成された面と反対側の面を異方性エッチングすることで開口部１１ａを形成し、開口部１１ａに振動板２の第１酸化膜２ａを露出させ、基部１１を形成する。異方性エッチングは例えばドライエッチングにより行うことができる。
【００５７】
このような異方性エッチングにおいては、開口部１１ａが第１酸化膜２ａに到達すると、第１酸化膜２ａがエッチングされて第１酸化膜２ａの膜厚が目減りする場合がある。また、開口部１１ａを形成する際に、例えば開口部１１ａの内側面等、基部１１の表面が荒れて平滑性が低下してしまう場合がある。
【００５８】
そこで、本実施形態では、単結晶シリコン基板を異方性エッチングして開口部１１ａを有する基部１１を形成した後、基部１１の第１酸化膜２ａが形成された面とは反対側の面に基部１１及び第１酸化膜２ａを覆う保護機能膜６を形成する。保護機能膜６は例えばＴＥＯＳを用いたＣＶＤ法等により形成することができる。このとき、保護機能膜６の膜厚は、振動領域Ｖのダイアフラム８が所望の固有振動数となるように、振動板２の厚さＴｖを考慮して設定する。本実施形態では、ダイアフラム８の厚さＴｄが約３μｍ程度となるように膜厚を計測しながら保護機能膜６を形成する。
【００５９】
このように製造することで、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖを保護機能膜６の厚さＴによって補うことができる。したがって、基部１１の開口部１１ａを閉塞する振動板２の厚さＴｖが設計値よりも目減りして薄くなった場合であっても、振動板２を覆う保護機能膜６の厚さＴを調整することで、振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム７の共振周波数を容易に所望の値とすることができる。
【００６０】
また、振動板２の厚さＴｖを変更せず、保護機能膜６を厚くすることで振動板２と保護機能膜６からなるダイアフラム７の共振周波数を低下させることができる。したがって、振動板２を熱酸化等によって形成する場合であっても、振動板２の厚さＴｖを薄くして基部１１の反りを防止することができる。したがって、例えばフォトレジストの異常露光等、後の製造工程における不具合を防止することができる。
また、基部１１に開口部１１ａを形成する際に基部１１の表面が荒れた状態になった場合であっても、基部１１の表面を覆う保護機能膜６によって基部１１の表面を平滑にすることができる。
【００６１】
このとき、基部１１の表面に保護機能膜６が形成されているので、基部１１の耐薬品性を向上させることができる。
以上により、本実施形態の超音波センサー１を製造することができる。また、複数の超音波センサー１を基部１１にアレイ状に形成することで、図２に示すような超音波センサーアレイ１０を製造することができる。
【００６２】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、振動板の材料としては、シリコン酸化物以外にも、ニッケル、クロム、アルミニウムのような金属材料及び、それらの酸化物であるセラミック材料、シリコン、有機樹脂を用いた高分子有機物等を用いることができる。
また、酸化膜は基板表面の熱酸化以外に、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、塗布等により形成してもよい。
また、保護機能膜は酸化物ではなく、ＳｉＮ等の窒化物により形成してもよい。
また、基部に形成する開口部の平面形状は矩形状や円形状に限られない。
また、ＰＤＡは複数の超音波センサーアレイを備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第一実施形態におけるＰＤＡの斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態における超音波センサーアレイの斜視図である。
【図３】図２に示す超音波センサーアレイの制御部のシステム構成図である。
【図４】図２のＡ−Ａ’線に沿う超音波センサーの断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 超音波センサー、２ 振動板、２ａ 第１酸化膜（酸化膜）、２ｂ 第２酸化膜（酸化膜）、３ 圧電体、６ 保護機能膜、１１ 基部、１１ａ 開口部、Ｔ 厚さ、Ｖ 振動領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発信又は受信する超音波センサーであって、
開口部が形成された基部と、前記基部に設けられ前記開口部を閉塞する振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、
前記基部及び振動板の前記圧電体が設けられた側と反対側が保護機能膜によって覆われていることを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
前記圧電体は前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられ、
前記振動領域において、前記振動板と前記保護機能膜とが積層されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサー。
【請求項３】
前記保護機能膜の厚さは、前記振動領域における前記振動板及び前記保護機能膜の共振周波数に基づいて決定されていることを特徴とする請求項２記載の超音波センサー。
【請求項４】
前記基部はシリコンにより形成され、前記振動板はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサー。
【請求項５】
前記保護機能膜はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする請求項４記載の超音波センサー。
【請求項６】
超音波を発信又は受信する超音波センサーの製造方法であって、
シリコンからなる基部の表面に酸化膜を形成する工程と、
前記基部の前記酸化膜とは反対側に、前記酸化膜を露出させる開口部を形成する工程と、
前記基部の前記酸化膜とは反対側に前記基部及び前記酸化膜を覆う保護機能膜を形成する工程と、を有することを特徴とする超音波センサーの製造方法。
【請求項１】
超音波を発信又は受信する超音波センサーであって、
開口部が形成された基部と、前記基部に設けられ前記開口部を閉塞する振動板と、該振動板に設けられた圧電体と、を備え、
前記基部及び振動板の前記圧電体が設けられた側と反対側が保護機能膜によって覆われていることを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
前記圧電体は前記振動板の前記基部とは反対側で前記開口部と平面的に重なる振動領域に設けられ、
前記振動領域において、前記振動板と前記保護機能膜とが積層されていることを特徴とする請求項１記載の超音波センサー。
【請求項３】
前記保護機能膜の厚さは、前記振動領域における前記振動板及び前記保護機能膜の共振周波数に基づいて決定されていることを特徴とする請求項２記載の超音波センサー。
【請求項４】
前記基部はシリコンにより形成され、前記振動板はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の超音波センサー。
【請求項５】
前記保護機能膜はシリコン酸化物により形成されていることを特徴とする請求項４記載の超音波センサー。
【請求項６】
超音波を発信又は受信する超音波センサーの製造方法であって、
シリコンからなる基部の表面に酸化膜を形成する工程と、
前記基部の前記酸化膜とは反対側に、前記酸化膜を露出させる開口部を形成する工程と、
前記基部の前記酸化膜とは反対側に前記基部及び前記酸化膜を覆う保護機能膜を形成する工程と、を有することを特徴とする超音波センサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１４７６５８（Ｐ２０１０−１４７６５８Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２０９５３（Ｐ２００８−３２０９５３）
【出願日】平成２０年１２月１７日（２００８．１２．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１７日（２００８．１２．１７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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