ＭＥＭＳトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカー。
【課題】電気的な接続信頼性を向上させる。
【解決手段】基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、を備える、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【解決手段】基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、を備える、ＭＥＭＳトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を有する隔膜を複数備えたＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１）。特許文献１においては、各隔膜について独立した圧電変換部と電極対とを設け、同一層内の櫛歯状の配線パターンによって前記電極対に電圧を印加している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
引用文献１においては、同一層内において配線を引き回すため、配線が細線化しオープン不良やショート不良が生じるという問題があった。また、圧電膜と電極対とを各隔膜について独立して設けることにより圧電膜と電極対が小面積化するため、圧電膜と電極対との間で剥離が生じるという問題があった。さらに、配線を形成するために工程数が多くなるという問題もあった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、電気的な接続信頼性が高いＭＥＭＳトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカーを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサは、基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える。
【０００６】
本発明のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、絶縁部は下電極の表面上において複数の圧電変換部のすべてと接続し、一体として形成されるため、絶縁部を下電極上において広く形成することができる。従って、下電極の表面上において複数の圧電変換部と絶縁部とが形成された領域の面積を広くすることができ、下電極の剥離を防止できる。なお、一体として形成されるとは、連続して形成され、物理的に複数の部分に分断されていないことを意味する。また、面内方向に広く形成される一体の絶縁部が複数の圧電変換部のすべてと接続するため、下電極と上電極との間における確実な層間絶縁を実現することができる。さらに、上電極は圧電変換部と絶縁部の表面上に一体として形成されるため、上電極を広く形成することができ、上電極の断線や剥離も防止できる。以上により、圧電型発音装置の電気的な接続信頼性を高くすることができる。
【０００７】
（２）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサにおいて、前記圧電変換部は、平面視において前記凹部の中央部を除く外周部と厚み方向に重なる位置に形成される。
圧電変換部によって凹部の底部のうち中央部を除く外周部を変位させることにより、凹部の底部の中央部にて大きな変位を得ることができる。したがって、凹部の底部の大きな振幅を効率よく得ることができる。
【０００８】
（３）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサにおいて、前記絶縁部は、前記圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料によって形成される。
絶縁部を圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料で形成することにより、下電極と上電極との間の寄生容量を低減することができる。
【０００９】
（４）前記目的を達成するための超音波パラメトリックアレイスピーカーは、基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された凹部と、前記下電極の表面上において前記凹部の底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、前記複数の圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、前記複数の圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図、図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１Ｃは図１Ｂに示す断面における各層の厚み方向の重なりを示す模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図６】図６Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図、図６Ｂは図６Ａに示す断面における各層の厚み方向の重なりを説明する模式図である。
【図７】図７Ａ〜７Ｄは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１２】
１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明によるＭＥＭＳトランスデューサの第一実施形態としての超音波パラメトリックアレイスピーカー１を示す。超音波パラメトリックアレイスピーカー１は半導体製造プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳであって、図示しないケースに収容され、博物館等の施設での音声ガイド装置、ＡＶ機器、ＩＴ機器などに組み込まれる超指向性スピーカーとして用いられる。超音波パラメトリックアレイスピーカー１は閉塞基板１６０と素子基板１０と素子基板１０上に形成された圧電素子１１とを備えている。素子基板１０に形成された複数の隔膜１２を圧電素子１１によって駆動することによって２つの周波数成分を持つ超音波を送波すると、極めて指向性の強い可聴域の音を発生させることができる。本明細書において"上"と"下"が示す方向は、図１Ｂに図示された超音波パラメトリックアレイスピーカー１の方向を基準とする。また、超音波パラメトリックアレイスピーカー１の厚み方向とは、超音波パラメトリックアレイスピーカー１を構成する各層の積層方向を指す。素子基板１０の厚み方向の一方側（上側）に圧電素子１１が積層される。
【００１３】
素子基板１０は相対的に厚い単結晶珪素層１０１と相対的に薄い単結晶珪素層１０３とこれらに挟まれた絶縁膜１０２とからなる。厚い単結晶珪素層１０１の厚さは例えば１００〜２０００μｍとし、薄い単結晶珪素層１０３の厚さは例えば０．５〜１０μｍとし、絶縁膜１０２は例えば厚さ０．０５〜１０μｍの二酸化珪素とする。隔膜１２は薄い単結晶珪素層１０３からなり、厚さは０．５〜１００μｍとする。凹部１０ａは厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とを貫通している。凹部１０ａは断面が直径１０〜１００００μｍの円形とし、深さが１００〜２０００μｍのストレート孔とする。複数の隔膜１２は素子基板１０に形成された複数の凹部１０ａのそれぞれの上底部を構成している部分であり、素子基板１０における隔膜外部１３よりも厚みが薄い。隔膜外部１３とは素子基板１０における隔膜１２以外の部分であって圧電素子１１によって駆動させられない部分を指す。隔膜１２の振動端（固定端）は凹部１０ａの断面形状によって決まる。すなわち、本実施形態の隔膜１２は円形であり、その円周が隔膜１２と隔膜外部１３の境界をなす。
【００１４】
圧電素子１１は素子基板１０の薄い単結晶珪素層１０３の表面に接合されている。圧電素子１１は下電極層１１１、上電極層１１３、および、絶縁層１１２とからなる。下電極層１１１は薄い単結晶珪素層１０３の上面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は下電極層１１１の上面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は例えば厚さ０．１〜１００μｍとしチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる。上電極層１１３は絶縁層１１２の上面の全域上に形成されている。下電極層１１１、上電極層１１３はそれぞれ例えば厚さが０．０５〜１０μｍであり、白金や金等からなる。
【００１５】
絶縁層１１２と上電極層１１３には下電極層１１１の接続部１１ａを露出させるための通孔１１ｂが形成されている。さらに絶縁層１１２と上電極層１１３には平面視において隔膜１２の中央部と厚み方向に重なる部分に通孔１１ｃが形成されている。絶縁層１１２と上電極層１１３とは同様のパターン形状となる。隔膜１２の中央部を除く外周部、すなわち隔膜１２と隔膜外部１３との境界（図１Ａに示す破線の円）の近傍と厚み方向に重なる部分は、絶縁層１１２および上電極層１１３の一部と厚み方向に重なる。
【００１６】
絶縁層１１２は、通孔１１ｂ，１１ｃおよび素子基板１０の四辺から所定距離内側を除き下電極層１１１の表面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとから構成される。圧電変換部Ｐは、隔膜１２の外周部と厚み方向に重なり、円環状の形状を有している。すなわち、隔膜１２の中央部を除く外周部において下電極層１１１と圧電変換部Ｐと上電極層１１３とが隔膜１２と厚み方向に重なっている。圧電変換部Ｐの内径は絶縁層１１２の通孔１１ｃの径と一致し、圧電変換部Ｐの外径は隔膜１２の径、すなわち凹部１０ａの径と一致する。絶縁部Ｉは一体として形成され、複数の圧電変換部Ｐのすべてと接続する。また、絶縁部Ｉは複数の圧電変換部Ｐのすべてと同じ厚みとなっている。
【００１７】
上電極層１１３は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとからなる絶縁層１１２の表面の全域上において一体として形成されている。上電極層１１３は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとが一体として形成された絶縁層１１２によって下電極層１１１と絶縁される。
【００１８】
閉塞基板１６０は素子基板１０の凹部１０ａの開口が形成された面に接合され、凹部１０ａの開口を気密に閉塞している。すなわち隔膜１２の下方に密閉空間として空洞Ｃが形成されている。閉塞基板１６０と素子基板１０とはポリイミドやエポキシ系の樹脂材料からなる接着層１５０を介して接合してもよいし、直接接合してもよい。閉塞基板１６０は単結晶珪素、ガラス、セラミックス等の無機材料からなる。
【００１９】
（製造方法）
次に図２から図５を参照しながら超音波パラメトリックアレイスピーカー１の製造方法を説明する。
はじめに素子基板１０となるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意し、薄い単結晶珪素層１０３の表面上に下電極層１１１、絶縁層１１２、上電極層１１３を図２に示すように順に形成する。下電極層１１１および上電極層１１３は例えば白金をスパッタ法によって、それぞれ素子基板１０および絶縁層１１２の上側の表面上に積層することによって形成する。絶縁層１１２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法によって下電極層１１１の上側の表面上に積層することによって形成する。
【００２０】
次に図３に示すように上電極層１１３の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ１のパターンを形成し、保護膜Ｒ１を用いたイオンミリングによって上電極層１１３と絶縁層１１２とをエッチングする。このとき下電極層１１１を露出させない程度に絶縁層１１２のエッチング深さを制御する。
【００２１】
次に前工程のイオンミリングによって形成された絶縁層１１２の側壁を図４に示すように覆うとともに隔膜１２の中央部と下電極層１１１の接続部１１ａとにおいて開口しているフォトレジストからなる保護膜Ｒ２のパターンを上電極層１１３の表面に形成する。続いて、保護膜Ｒ２を用いたウエットエッチングによって絶縁層１１２をエッチングして下電極層１１１を露出させる。これにより、圧電素子１１が形成される。
【００２２】
次に図５に示すように素子基板１０の厚い単結晶珪素層１０１の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ３のパターンを形成し、保護膜Ｒ３を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、薄い単結晶珪素層１０３を底部とする凹部１０ａを厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とに形成する。これにより、薄い単結晶珪素層１０３からなる隔膜１２と隔膜１２を上底とする凹部１０ａが素子基板１０に形成される。
【００２３】
素子基板１０と閉塞基板１６０とを接着層１５０を介して圧着し加熱することによって素子基板１０と閉塞基板１６０とを接合する。最後に、ダイサーによって素子基板１０と閉塞基板１６０とを個片へと切り分け、パッケージングなどの後工程を実施すると超音波パラメトリックアレイスピーカー１が完成する。
【００２４】
（動作および効果）
図示しない導線を介して圧電素子１１の下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加すると、下電極層１１１と上電極層１１３に挟まれた絶縁層１１２は面内方向に歪み（収縮・膨張）を生じさせようとする。素子基板１０は隔膜１２以外の隔膜外部１３において十分な厚さを有するため実質的に剛体として振る舞う。したがって絶縁層１１２のうち隔膜１２と厚み方向に重なっている圧電変換部Ｐのみが面内方向に収縮・膨張することができる。なお上電極層１１３の一部と接続部１１ａに対して外部からの配線を接続することにより下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加することができる。
【００２５】
圧電変換部Ｐの収縮・膨張は、隔膜１２における隔膜１２の外周部に厚み方向の撓みを生じさせる。隔膜１２の外周部が厚み方向に撓むと面内方向、固定端から最も遠い隔膜１２の中央部の変位が最も大きくなる。このように隔膜１２の外周部を圧電変換部Ｐの収縮・膨張によって駆動させることにより、隔膜１２を効率よく撓ませることができる。なお、圧電変換部Ｐが面内方向に収縮するとそれぞれの隔膜１２は中央部が上側に盛り上がるように変形し、反対に圧電変換部Ｐが面内方向に膨張するとそれぞれの隔膜１２は下側に盛り上がるように変形する。したがって圧電素子１１に超音波振動を発生させると、圧電素子１１と一体に振動する隔膜１２から超音波が送波される。なお、下電極層１１１と上電極層１１３はそれぞれ電気的に一体であるため、各隔膜１２から同相の超音波が送波される。
【００２６】
下電極層１１１と上電極層１１３に超音波域の搬送波を可聴域の音声波によって振幅変調した変調波の駆動電圧を印加すると圧電素子１１と一体に振動する隔膜１２から前記変調波の超音波が送波され、超音波の強い指向性により隔膜１２の振動軸線近傍の狭い範囲においてパラメトリックアレイ効果によって可聴音が発生する。なお、複数の隔膜１２の面内方向の分布させることにより超音波を平面波とすることができ、可聴音が発生する空間を広くすることができる。パラメトリックアレイ効果とは、音波の非線形性に起因して、自己復調によってもとの音声波に相当する可聴音の空中音源が振動軸線近傍の直線的な領域に連続的に発生する現象である。このようなパラメトリックアレイ効果によって、比較的小型の超音波パラメトリックアレイスピーカー１であっても指向性が極めて強く実用的な可聴音の音圧が得られる。なお、可聴域の音声波に相当する周波数差を有する２つの超音波を隔膜１２から送波させ、２つの超音波の間に生じるうなり現象により可聴域の音声波を復調してもよい。この場合、独立して駆動電圧が入力可能な２つの圧電素子１１によって２個以上の隔膜１２を互いに異なる周波数で振動させる必要がある。
【００２７】
上述したように下電極層１１１と上電極層１１３とが厚み方向に重なる領域の全域において、下電極層１１１と上電極層１１３との間に絶縁層１１２を介在させている。したがって下電極層１１１と上電極層１１３とを絶縁層１１２によって確実に層間絶縁することができる。また、下電極層１１１と上電極層１１３とを同一面内に形成しないため、下電極層１１１と上電極層１１３のパターンを他方のパターンに制約されずに自由に決定することができる。そのため、本実施形態のように下電極層１１１を素子基板１０の上面の全域上に形成し、一体の上電極層１１３を絶縁層１１２の表面の全域上に形成することができる。
【００２８】
このように下電極層１１１と上電極層１１３とを面内方向に広く形成することにより、下電極層１１１と上電極層１１３がそれぞれ断線することが防止できる。さらに、接合面積を広く確保することができるため、下電極層１１１と上電極層１１３がそれぞれ厚み方向に接する他の層から剥離することが防止できる。上電極層１１３の機能に注目すると、上電極層１１３は、圧電変換部Ｐに対して電圧を印加するために圧電変換部Ｐに接する電圧印加部分と、これらの電圧印加部分同士を接続したり外部からの配線と電圧印加部分とを接続するための配線部分とを備える必要があるが、本発明によればこれらの部分を一体のパターンとして形成できるため、これらの部分を個別にパターン形成しなくても済む。また本実施形態のように下電極層１１１を素子基板１０の上面の全域上に形成すると、下電極層１１１のパターン形成も行う必要がなくて済む。すなわち、下電極層１１１と上電極層１１３のいずれについても配線のためのパターン形成工程を個別に行わなくてもよく、効率よく超音波パラメトリックアレイスピーカー１を製造することができる。さらに、絶縁層１１２の表面の全域上に一体の上電極層１１３を形成することにより、絶縁層１１２と上電極層１１３とを同一のパターンとすることができ、絶縁層１１２と上電極層１１３とを個別にパターン形成しなくても済む。
【００２９】
２．第二実施形態
（構成）
図６Ａは第二実施形態にかかる超音波パラメトリックアレイスピーカーの断面図であり、図６Ｂは前記断面における各層の厚み方向の重なりを説明する模式図である。第二実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー２と、第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１との相違点は、閉塞基板１６０の有無と、絶縁部Ｉの材質である。
【００３０】
第二実施形態でも隔膜１２の外周部に対して厚み方向に重なる円環状の圧電変換部Ｐが設けられている。圧電変換部Ｐは圧電材料で形成されている。絶縁層１１２における圧電変換部Ｐを除く部分、すなわち凹部１０ａが設けられた領域の外側の隔膜外部１３と厚み方向に重なる絶縁部Ｉは、圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい絶縁材料によって形成されている。例えば絶縁部Ｉはポリイミドやアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や二酸化珪素によって形成される。第二実施形態のように絶縁部Ｉを圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい絶縁材料によって形成することにより、絶縁層１１２の寄生容量を低減することができる。したがって上電極層１１３と下電極層１１１の間に高周波電圧を印加した場合でも高い電力効率で隔膜１２を振動させることができる。圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉは別の材料で形成されるが、圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉは連続しており、一体の絶縁体を構成する。
【００３１】
ここで、図１Ａにおいて一点鎖線で示された領域Ｗにおける寄生容量について考察する。領域Ｗは一辺が３．２ｍｍの正方形であり、中央に単一の隔膜１２を有するものとする。圧電変換部Ｐの外径および隔膜１２の直径は３ｍｍであり、圧電変換部Ｐの内径は１ｍｍであることとする。圧電変換部Ｐがチタン酸ジルコン酸鉛によって形成されることする。第一実施形態では絶縁部Ｉもチタン酸ジルコン酸鉛によって形成され、領域Ｗにおける下電極層１１１と上電極層１１３との間の静電容量は２．７９×１０-8Ｆとなる。一方、第二実施形態において、絶縁部Ｉを圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい二酸化珪素によって形成したとする。この場合、領域Ｗにおける下電極層１１１と上電極層１１３との間の静電容量は１．８６×１０-8Ｆとなり、第一実施形態における領域Ｗの寄生容量の３３％分小さい値となる。
【００３２】
（製造方法）
まず選択的なエッチング等によって圧電変換部Ｐを形成しておき、その後、圧電変換部Ｐをマスクし絶縁部Ｉを選択的に積層することにより、互いに材料が異なる圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとからなる絶縁層１１２を形成することができる。また圧電変換部Ｐを先に形成しておき、その上に非誘電率の小さい材料を一様に積層し、その後圧電変換部Ｐが上方に露出するまで研磨を行うことにより絶縁層１１２を形成してもよい。勿論、絶縁部Ｉを先に形成し、その後圧電変換部Ｐを形成してもよい。上電極層１１３は、絶縁層１１２が形成された後に積層される。
【００３３】
３．他の実施形態
図７Ａ〜７Ｄは他の実施形態にかかる超音波パラメトリックアレイスピーカーの平面図である。図７Ａ〜７Ｄに図示された各超音波パラメトリックアレイスピーカー３〜６において、隔膜１２の面内方向における配置が第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１と異なっている。第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１においては、隣接する隔膜１２の中心同士を結ぶ線分によって正三角形が形成されるように各隔膜１２が配置されている。これに対して図７Ａ，７Ｂ，７Ｄに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー３，４，６のように隔膜１２を直交格子状に配置してもよい。さらに図７Ｂに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー４のように互いに径の異なる隔膜１２を配置してもよい。また図７Ｃに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー５のように中央の隔膜１２を基準として６回対称となるように各隔膜１２が配置してもよい。隔膜１２を点対称に配置することにより、平面対称性に優れた音波を送波することができる。
【００３４】
図７Ｄに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー６では圧電素子１１が紙面左右に分断され、分断された圧電素子１１のそれぞれについて接続部１１ａが設けられている。なお圧電素子１１は薄い単結晶珪素層１０３が露出するまで圧電素子１１の一部を上方からエッチングすることにより分断される。分断された圧電素子１１の上電極層１１３と下電極層１１１も、それぞれ電気的に分断されることとなる。これにより、分断された圧電素子１１ごとに隔膜１２を異なる周波数や位相や振幅で振動させることができ、複数の音波を単一の超音波パラメトリックアレイスピーカー６から送波することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば上記前記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。さらにＭＥＭＳトランスデューサは上述した超音波パラメトリックアレイスピーカーに限られず、超音波センサの超音波発生部や可聴音スピーカー等にも利用することができる。さらに、本発明のＭＥＭＳトランスデューサを超音波センサの超音波検出部などに応用しても、同様に高い接続信頼性を実現することができる。
【００３６】
隔膜１２はポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の有機材料から構成してもよいし、酸化珪素、多結晶珪素、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）など）、金属（Ｃｕなど）等の無機材料で構成してもよい。また隔膜１２と隔膜外部１３との境界は円形に限らず、矩形であってもよいし、隔膜１２に通孔が形成されていてもよいし、隔膜１２が帯形状であってもよい。隔膜１２と隔膜外部１３との境界を円形としない場合でも、前記外周部に圧電変換部Ｐが重なるようにすればよい。隔膜１２の中央部と重なる部分において圧電素子１１の下電極層１１１に通孔を形成してもよい。また隔膜１２を可聴域の周波数で振動させることにより直接可聴音を送波することも勿論可能である。隔膜１２は圧電素子１１の駆動力によって振動可能な程度に厚みが薄ければよく、隔膜１２が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。隔膜外部１３は圧電素子１１の駆動力によって振動不能な程度に厚みが厚ければよく、隔膜外部１３が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。
【符号の説明】
【００３７】
１〜６…超音波パラメトリックアレイスピーカー、１０…素子基板、１０ａ…凹部、１１…圧電素子、１１ａ…接続部、１１ｂ，１１ｃ…通孔、１２…隔膜、１３…隔膜外部、１０１…単結晶珪素層、１０２…絶縁膜、１０３…単結晶珪素層、１１１…下電極層、１１２…絶縁層、１１３…上電極層、１５０…接着層、１６０…閉塞基板、Ｃ…空洞、Ｉ…絶縁部、Ｐ…圧電変換部、Ｒ１〜Ｒ３…保護膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を有する隔膜を複数備えたＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１）。特許文献１においては、各隔膜について独立した圧電変換部と電極対とを設け、同一層内の櫛歯状の配線パターンによって前記電極対に電圧を印加している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
引用文献１においては、同一層内において配線を引き回すため、配線が細線化しオープン不良やショート不良が生じるという問題があった。また、圧電膜と電極対とを各隔膜について独立して設けることにより圧電膜と電極対が小面積化するため、圧電膜と電極対との間で剥離が生じるという問題があった。さらに、配線を形成するために工程数が多くなるという問題もあった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、電気的な接続信頼性が高いＭＥＭＳトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカーを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサは、基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える。
【０００６】
本発明のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、絶縁部は下電極の表面上において複数の圧電変換部のすべてと接続し、一体として形成されるため、絶縁部を下電極上において広く形成することができる。従って、下電極の表面上において複数の圧電変換部と絶縁部とが形成された領域の面積を広くすることができ、下電極の剥離を防止できる。なお、一体として形成されるとは、連続して形成され、物理的に複数の部分に分断されていないことを意味する。また、面内方向に広く形成される一体の絶縁部が複数の圧電変換部のすべてと接続するため、下電極と上電極との間における確実な層間絶縁を実現することができる。さらに、上電極は圧電変換部と絶縁部の表面上に一体として形成されるため、上電極を広く形成することができ、上電極の断線や剥離も防止できる。以上により、圧電型発音装置の電気的な接続信頼性を高くすることができる。
【０００７】
（２）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサにおいて、前記圧電変換部は、平面視において前記凹部の中央部を除く外周部と厚み方向に重なる位置に形成される。
圧電変換部によって凹部の底部のうち中央部を除く外周部を変位させることにより、凹部の底部の中央部にて大きな変位を得ることができる。したがって、凹部の底部の大きな振幅を効率よく得ることができる。
【０００８】
（３）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサにおいて、前記絶縁部は、前記圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料によって形成される。
絶縁部を圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料で形成することにより、下電極と上電極との間の寄生容量を低減することができる。
【０００９】
（４）前記目的を達成するための超音波パラメトリックアレイスピーカーは、基板と、前記基板の表面上に形成される下電極と、前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された凹部と、前記下電極の表面上において前記凹部の底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、前記下電極の表面上に一体として形成され、前記複数の圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、前記複数の圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図、図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ−１Ｂ線断面図、図１Ｃは図１Ｂに示す断面における各層の厚み方向の重なりを示す模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図である。
【図６】図６Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図、図６Ｂは図６Ａに示す断面における各層の厚み方向の重なりを説明する模式図である。
【図７】図７Ａ〜７Ｄは本発明の他の実施形態にかかる平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。なお、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
【００１２】
１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明によるＭＥＭＳトランスデューサの第一実施形態としての超音波パラメトリックアレイスピーカー１を示す。超音波パラメトリックアレイスピーカー１は半導体製造プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳであって、図示しないケースに収容され、博物館等の施設での音声ガイド装置、ＡＶ機器、ＩＴ機器などに組み込まれる超指向性スピーカーとして用いられる。超音波パラメトリックアレイスピーカー１は閉塞基板１６０と素子基板１０と素子基板１０上に形成された圧電素子１１とを備えている。素子基板１０に形成された複数の隔膜１２を圧電素子１１によって駆動することによって２つの周波数成分を持つ超音波を送波すると、極めて指向性の強い可聴域の音を発生させることができる。本明細書において"上"と"下"が示す方向は、図１Ｂに図示された超音波パラメトリックアレイスピーカー１の方向を基準とする。また、超音波パラメトリックアレイスピーカー１の厚み方向とは、超音波パラメトリックアレイスピーカー１を構成する各層の積層方向を指す。素子基板１０の厚み方向の一方側（上側）に圧電素子１１が積層される。
【００１３】
素子基板１０は相対的に厚い単結晶珪素層１０１と相対的に薄い単結晶珪素層１０３とこれらに挟まれた絶縁膜１０２とからなる。厚い単結晶珪素層１０１の厚さは例えば１００〜２０００μｍとし、薄い単結晶珪素層１０３の厚さは例えば０．５〜１０μｍとし、絶縁膜１０２は例えば厚さ０．０５〜１０μｍの二酸化珪素とする。隔膜１２は薄い単結晶珪素層１０３からなり、厚さは０．５〜１００μｍとする。凹部１０ａは厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とを貫通している。凹部１０ａは断面が直径１０〜１００００μｍの円形とし、深さが１００〜２０００μｍのストレート孔とする。複数の隔膜１２は素子基板１０に形成された複数の凹部１０ａのそれぞれの上底部を構成している部分であり、素子基板１０における隔膜外部１３よりも厚みが薄い。隔膜外部１３とは素子基板１０における隔膜１２以外の部分であって圧電素子１１によって駆動させられない部分を指す。隔膜１２の振動端（固定端）は凹部１０ａの断面形状によって決まる。すなわち、本実施形態の隔膜１２は円形であり、その円周が隔膜１２と隔膜外部１３の境界をなす。
【００１４】
圧電素子１１は素子基板１０の薄い単結晶珪素層１０３の表面に接合されている。圧電素子１１は下電極層１１１、上電極層１１３、および、絶縁層１１２とからなる。下電極層１１１は薄い単結晶珪素層１０３の上面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は下電極層１１１の上面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は例えば厚さ０．１〜１００μｍとしチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料からなる。上電極層１１３は絶縁層１１２の上面の全域上に形成されている。下電極層１１１、上電極層１１３はそれぞれ例えば厚さが０．０５〜１０μｍであり、白金や金等からなる。
【００１５】
絶縁層１１２と上電極層１１３には下電極層１１１の接続部１１ａを露出させるための通孔１１ｂが形成されている。さらに絶縁層１１２と上電極層１１３には平面視において隔膜１２の中央部と厚み方向に重なる部分に通孔１１ｃが形成されている。絶縁層１１２と上電極層１１３とは同様のパターン形状となる。隔膜１２の中央部を除く外周部、すなわち隔膜１２と隔膜外部１３との境界（図１Ａに示す破線の円）の近傍と厚み方向に重なる部分は、絶縁層１１２および上電極層１１３の一部と厚み方向に重なる。
【００１６】
絶縁層１１２は、通孔１１ｂ，１１ｃおよび素子基板１０の四辺から所定距離内側を除き下電極層１１１の表面の全域上に形成されている。絶縁層１１２は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとから構成される。圧電変換部Ｐは、隔膜１２の外周部と厚み方向に重なり、円環状の形状を有している。すなわち、隔膜１２の中央部を除く外周部において下電極層１１１と圧電変換部Ｐと上電極層１１３とが隔膜１２と厚み方向に重なっている。圧電変換部Ｐの内径は絶縁層１１２の通孔１１ｃの径と一致し、圧電変換部Ｐの外径は隔膜１２の径、すなわち凹部１０ａの径と一致する。絶縁部Ｉは一体として形成され、複数の圧電変換部Ｐのすべてと接続する。また、絶縁部Ｉは複数の圧電変換部Ｐのすべてと同じ厚みとなっている。
【００１７】
上電極層１１３は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとからなる絶縁層１１２の表面の全域上において一体として形成されている。上電極層１１３は、複数の圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとが一体として形成された絶縁層１１２によって下電極層１１１と絶縁される。
【００１８】
閉塞基板１６０は素子基板１０の凹部１０ａの開口が形成された面に接合され、凹部１０ａの開口を気密に閉塞している。すなわち隔膜１２の下方に密閉空間として空洞Ｃが形成されている。閉塞基板１６０と素子基板１０とはポリイミドやエポキシ系の樹脂材料からなる接着層１５０を介して接合してもよいし、直接接合してもよい。閉塞基板１６０は単結晶珪素、ガラス、セラミックス等の無機材料からなる。
【００１９】
（製造方法）
次に図２から図５を参照しながら超音波パラメトリックアレイスピーカー１の製造方法を説明する。
はじめに素子基板１０となるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意し、薄い単結晶珪素層１０３の表面上に下電極層１１１、絶縁層１１２、上電極層１１３を図２に示すように順に形成する。下電極層１１１および上電極層１１３は例えば白金をスパッタ法によって、それぞれ素子基板１０および絶縁層１１２の上側の表面上に積層することによって形成する。絶縁層１１２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法によって下電極層１１１の上側の表面上に積層することによって形成する。
【００２０】
次に図３に示すように上電極層１１３の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ１のパターンを形成し、保護膜Ｒ１を用いたイオンミリングによって上電極層１１３と絶縁層１１２とをエッチングする。このとき下電極層１１１を露出させない程度に絶縁層１１２のエッチング深さを制御する。
【００２１】
次に前工程のイオンミリングによって形成された絶縁層１１２の側壁を図４に示すように覆うとともに隔膜１２の中央部と下電極層１１１の接続部１１ａとにおいて開口しているフォトレジストからなる保護膜Ｒ２のパターンを上電極層１１３の表面に形成する。続いて、保護膜Ｒ２を用いたウエットエッチングによって絶縁層１１２をエッチングして下電極層１１１を露出させる。これにより、圧電素子１１が形成される。
【００２２】
次に図５に示すように素子基板１０の厚い単結晶珪素層１０１の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ３のパターンを形成し、保護膜Ｒ３を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、薄い単結晶珪素層１０３を底部とする凹部１０ａを厚い単結晶珪素層１０１と絶縁膜１０２とに形成する。これにより、薄い単結晶珪素層１０３からなる隔膜１２と隔膜１２を上底とする凹部１０ａが素子基板１０に形成される。
【００２３】
素子基板１０と閉塞基板１６０とを接着層１５０を介して圧着し加熱することによって素子基板１０と閉塞基板１６０とを接合する。最後に、ダイサーによって素子基板１０と閉塞基板１６０とを個片へと切り分け、パッケージングなどの後工程を実施すると超音波パラメトリックアレイスピーカー１が完成する。
【００２４】
（動作および効果）
図示しない導線を介して圧電素子１１の下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加すると、下電極層１１１と上電極層１１３に挟まれた絶縁層１１２は面内方向に歪み（収縮・膨張）を生じさせようとする。素子基板１０は隔膜１２以外の隔膜外部１３において十分な厚さを有するため実質的に剛体として振る舞う。したがって絶縁層１１２のうち隔膜１２と厚み方向に重なっている圧電変換部Ｐのみが面内方向に収縮・膨張することができる。なお上電極層１１３の一部と接続部１１ａに対して外部からの配線を接続することにより下電極層１１１と上電極層１１３に電圧を印加することができる。
【００２５】
圧電変換部Ｐの収縮・膨張は、隔膜１２における隔膜１２の外周部に厚み方向の撓みを生じさせる。隔膜１２の外周部が厚み方向に撓むと面内方向、固定端から最も遠い隔膜１２の中央部の変位が最も大きくなる。このように隔膜１２の外周部を圧電変換部Ｐの収縮・膨張によって駆動させることにより、隔膜１２を効率よく撓ませることができる。なお、圧電変換部Ｐが面内方向に収縮するとそれぞれの隔膜１２は中央部が上側に盛り上がるように変形し、反対に圧電変換部Ｐが面内方向に膨張するとそれぞれの隔膜１２は下側に盛り上がるように変形する。したがって圧電素子１１に超音波振動を発生させると、圧電素子１１と一体に振動する隔膜１２から超音波が送波される。なお、下電極層１１１と上電極層１１３はそれぞれ電気的に一体であるため、各隔膜１２から同相の超音波が送波される。
【００２６】
下電極層１１１と上電極層１１３に超音波域の搬送波を可聴域の音声波によって振幅変調した変調波の駆動電圧を印加すると圧電素子１１と一体に振動する隔膜１２から前記変調波の超音波が送波され、超音波の強い指向性により隔膜１２の振動軸線近傍の狭い範囲においてパラメトリックアレイ効果によって可聴音が発生する。なお、複数の隔膜１２の面内方向の分布させることにより超音波を平面波とすることができ、可聴音が発生する空間を広くすることができる。パラメトリックアレイ効果とは、音波の非線形性に起因して、自己復調によってもとの音声波に相当する可聴音の空中音源が振動軸線近傍の直線的な領域に連続的に発生する現象である。このようなパラメトリックアレイ効果によって、比較的小型の超音波パラメトリックアレイスピーカー１であっても指向性が極めて強く実用的な可聴音の音圧が得られる。なお、可聴域の音声波に相当する周波数差を有する２つの超音波を隔膜１２から送波させ、２つの超音波の間に生じるうなり現象により可聴域の音声波を復調してもよい。この場合、独立して駆動電圧が入力可能な２つの圧電素子１１によって２個以上の隔膜１２を互いに異なる周波数で振動させる必要がある。
【００２７】
上述したように下電極層１１１と上電極層１１３とが厚み方向に重なる領域の全域において、下電極層１１１と上電極層１１３との間に絶縁層１１２を介在させている。したがって下電極層１１１と上電極層１１３とを絶縁層１１２によって確実に層間絶縁することができる。また、下電極層１１１と上電極層１１３とを同一面内に形成しないため、下電極層１１１と上電極層１１３のパターンを他方のパターンに制約されずに自由に決定することができる。そのため、本実施形態のように下電極層１１１を素子基板１０の上面の全域上に形成し、一体の上電極層１１３を絶縁層１１２の表面の全域上に形成することができる。
【００２８】
このように下電極層１１１と上電極層１１３とを面内方向に広く形成することにより、下電極層１１１と上電極層１１３がそれぞれ断線することが防止できる。さらに、接合面積を広く確保することができるため、下電極層１１１と上電極層１１３がそれぞれ厚み方向に接する他の層から剥離することが防止できる。上電極層１１３の機能に注目すると、上電極層１１３は、圧電変換部Ｐに対して電圧を印加するために圧電変換部Ｐに接する電圧印加部分と、これらの電圧印加部分同士を接続したり外部からの配線と電圧印加部分とを接続するための配線部分とを備える必要があるが、本発明によればこれらの部分を一体のパターンとして形成できるため、これらの部分を個別にパターン形成しなくても済む。また本実施形態のように下電極層１１１を素子基板１０の上面の全域上に形成すると、下電極層１１１のパターン形成も行う必要がなくて済む。すなわち、下電極層１１１と上電極層１１３のいずれについても配線のためのパターン形成工程を個別に行わなくてもよく、効率よく超音波パラメトリックアレイスピーカー１を製造することができる。さらに、絶縁層１１２の表面の全域上に一体の上電極層１１３を形成することにより、絶縁層１１２と上電極層１１３とを同一のパターンとすることができ、絶縁層１１２と上電極層１１３とを個別にパターン形成しなくても済む。
【００２９】
２．第二実施形態
（構成）
図６Ａは第二実施形態にかかる超音波パラメトリックアレイスピーカーの断面図であり、図６Ｂは前記断面における各層の厚み方向の重なりを説明する模式図である。第二実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー２と、第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１との相違点は、閉塞基板１６０の有無と、絶縁部Ｉの材質である。
【００３０】
第二実施形態でも隔膜１２の外周部に対して厚み方向に重なる円環状の圧電変換部Ｐが設けられている。圧電変換部Ｐは圧電材料で形成されている。絶縁層１１２における圧電変換部Ｐを除く部分、すなわち凹部１０ａが設けられた領域の外側の隔膜外部１３と厚み方向に重なる絶縁部Ｉは、圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい絶縁材料によって形成されている。例えば絶縁部Ｉはポリイミドやアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や二酸化珪素によって形成される。第二実施形態のように絶縁部Ｉを圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい絶縁材料によって形成することにより、絶縁層１１２の寄生容量を低減することができる。したがって上電極層１１３と下電極層１１１の間に高周波電圧を印加した場合でも高い電力効率で隔膜１２を振動させることができる。圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉは別の材料で形成されるが、圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉは連続しており、一体の絶縁体を構成する。
【００３１】
ここで、図１Ａにおいて一点鎖線で示された領域Ｗにおける寄生容量について考察する。領域Ｗは一辺が３．２ｍｍの正方形であり、中央に単一の隔膜１２を有するものとする。圧電変換部Ｐの外径および隔膜１２の直径は３ｍｍであり、圧電変換部Ｐの内径は１ｍｍであることとする。圧電変換部Ｐがチタン酸ジルコン酸鉛によって形成されることする。第一実施形態では絶縁部Ｉもチタン酸ジルコン酸鉛によって形成され、領域Ｗにおける下電極層１１１と上電極層１１３との間の静電容量は２．７９×１０-8Ｆとなる。一方、第二実施形態において、絶縁部Ｉを圧電変換部Ｐよりも非誘電率が小さい二酸化珪素によって形成したとする。この場合、領域Ｗにおける下電極層１１１と上電極層１１３との間の静電容量は１．８６×１０-8Ｆとなり、第一実施形態における領域Ｗの寄生容量の３３％分小さい値となる。
【００３２】
（製造方法）
まず選択的なエッチング等によって圧電変換部Ｐを形成しておき、その後、圧電変換部Ｐをマスクし絶縁部Ｉを選択的に積層することにより、互いに材料が異なる圧電変換部Ｐと絶縁部Ｉとからなる絶縁層１１２を形成することができる。また圧電変換部Ｐを先に形成しておき、その上に非誘電率の小さい材料を一様に積層し、その後圧電変換部Ｐが上方に露出するまで研磨を行うことにより絶縁層１１２を形成してもよい。勿論、絶縁部Ｉを先に形成し、その後圧電変換部Ｐを形成してもよい。上電極層１１３は、絶縁層１１２が形成された後に積層される。
【００３３】
３．他の実施形態
図７Ａ〜７Ｄは他の実施形態にかかる超音波パラメトリックアレイスピーカーの平面図である。図７Ａ〜７Ｄに図示された各超音波パラメトリックアレイスピーカー３〜６において、隔膜１２の面内方向における配置が第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１と異なっている。第一実施形態の超音波パラメトリックアレイスピーカー１においては、隣接する隔膜１２の中心同士を結ぶ線分によって正三角形が形成されるように各隔膜１２が配置されている。これに対して図７Ａ，７Ｂ，７Ｄに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー３，４，６のように隔膜１２を直交格子状に配置してもよい。さらに図７Ｂに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー４のように互いに径の異なる隔膜１２を配置してもよい。また図７Ｃに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー５のように中央の隔膜１２を基準として６回対称となるように各隔膜１２が配置してもよい。隔膜１２を点対称に配置することにより、平面対称性に優れた音波を送波することができる。
【００３４】
図７Ｄに示す超音波パラメトリックアレイスピーカー６では圧電素子１１が紙面左右に分断され、分断された圧電素子１１のそれぞれについて接続部１１ａが設けられている。なお圧電素子１１は薄い単結晶珪素層１０３が露出するまで圧電素子１１の一部を上方からエッチングすることにより分断される。分断された圧電素子１１の上電極層１１３と下電極層１１１も、それぞれ電気的に分断されることとなる。これにより、分断された圧電素子１１ごとに隔膜１２を異なる周波数や位相や振幅で振動させることができ、複数の音波を単一の超音波パラメトリックアレイスピーカー６から送波することができる。
【００３５】
なお、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば上記前記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。さらにＭＥＭＳトランスデューサは上述した超音波パラメトリックアレイスピーカーに限られず、超音波センサの超音波発生部や可聴音スピーカー等にも利用することができる。さらに、本発明のＭＥＭＳトランスデューサを超音波センサの超音波検出部などに応用しても、同様に高い接続信頼性を実現することができる。
【００３６】
隔膜１２はポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の有機材料から構成してもよいし、酸化珪素、多結晶珪素、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）など）、金属（Ｃｕなど）等の無機材料で構成してもよい。また隔膜１２と隔膜外部１３との境界は円形に限らず、矩形であってもよいし、隔膜１２に通孔が形成されていてもよいし、隔膜１２が帯形状であってもよい。隔膜１２と隔膜外部１３との境界を円形としない場合でも、前記外周部に圧電変換部Ｐが重なるようにすればよい。隔膜１２の中央部と重なる部分において圧電素子１１の下電極層１１１に通孔を形成してもよい。また隔膜１２を可聴域の周波数で振動させることにより直接可聴音を送波することも勿論可能である。隔膜１２は圧電素子１１の駆動力によって振動可能な程度に厚みが薄ければよく、隔膜１２が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。隔膜外部１３は圧電素子１１の駆動力によって振動不能な程度に厚みが厚ければよく、隔膜外部１３が複数または連続的に変化する厚みを有してよい。
【符号の説明】
【００３７】
１〜６…超音波パラメトリックアレイスピーカー、１０…素子基板、１０ａ…凹部、１１…圧電素子、１１ａ…接続部、１１ｂ，１１ｃ…通孔、１２…隔膜、１３…隔膜外部、１０１…単結晶珪素層、１０２…絶縁膜、１０３…単結晶珪素層、１１１…下電極層、１１２…絶縁層、１１３…上電極層、１５０…接着層、１６０…閉塞基板、Ｃ…空洞、Ｉ…絶縁部、Ｐ…圧電変換部、Ｒ１〜Ｒ３…保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に形成される下電極と、
前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、
前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、
前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、
前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える、
ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項２】
前記圧電変換部は、平面視において前記凹部の中央部を除く外周部と厚み方向に重なる位置に形成される、
請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項３】
前記絶縁部は、前記圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料によって形成される、請求項１または２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項４】
基板と、
前記基板の表面上に形成される下電極と、
前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、
前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、
前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、
前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える、
を備える超音波パラメトリックアレイスピーカー。
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上に形成される下電極と、
前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、
前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、
前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、
前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える、
ＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項２】
前記圧電変換部は、平面視において前記凹部の中央部を除く外周部と厚み方向に重なる位置に形成される、
請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項３】
前記絶縁部は、前記圧電変換部よりも非誘電率の小さい絶縁材料によって形成される、請求項１または２に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
【請求項４】
基板と、
前記基板の表面上に形成される下電極と、
前記基板において前記下電極が形成されない面に形成された複数の凹部と、
前記下電極の表面上において複数の前記凹部のそれぞれの底部を変位させることが可能な位置に形成される複数の圧電変換部と、
前記下電極の表面上に一体として形成され、複数の前記圧電変換部のすべてと厚みを共通にし、複数の前記圧電変換部のすべてと接続する絶縁部と、
前記圧電変換部および前記絶縁部の表面上に一体として形成される上電極と、
を備える、
を備える超音波パラメトリックアレイスピーカー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１８２２９８（Ｐ２０１１−１８２２９８Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４６４１３（Ｐ２０１０−４６４１３）
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３日（２０１０．３．３）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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