(57)【要約】  本発明は、第１の主表面１６及び第２の主表面１７を持ち、力に応じて形状を変化させる膜３１と、活性部分を持ち、前記膜３１の第１の主表面１６の上に形成される圧電層１８と、第１の電極と第２の電極１９との間の電界が前記圧電層１８の機械的動きを決定し、前記圧電層１８と接触する当該第１の電極及び第２の電極１９と、前記圧電層１８の前記活性部分の隣接側で前記膜１５の第２の主表面１７に支持構造体４０とを有し、前記支持構造体４０の少なくとも一部は、前記支持構造体側に、反対側の出力圧に比較して高い出力圧を持つ超音波振動子が得られるように、前記活性部分の下に溝４１を形成するために、膜３１の第２の主表面１７に垂直又は少なくとも平行ではない壁を形成する、振動子１１に関する。本発明は、振動子を形成する方法及び少なくとも一つの振動子を有するアレイにも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主表面及び第２の主表面を持ち、力に応じて形状を変化させる膜と、活性部分を持ち、前記膜の第１の主表面の上に形成される圧電層と、第１の電極と第２の電極との間の電界が前記圧電層の機械的動きを決定し、前記圧電層と接触する当該第１の電極及び第２の電極と、前記圧電層の前記活性部分の隣接側で前記膜の第２の主表面に支持構造体とを有し、前記支持構造体の少なくとも一部は、支持構造体側に、前記支持構造体側とは反対側の出力圧に比較して高い出力圧を持つ超音波振動子が得られるように、前記活性部分の下に溝を形成するために、第２の主表面に垂直又は少なくとも平行ではない壁を形成する、振動子。
【請求項２】
前記膜がシリコン窒化物層の上に位置されるシリコン酸化層を有するか、又は、前記膜がシリコン酸化層、シリコン窒化層物、シリコン酸化層のスタックを有し、前記圧電層がシリコン酸化層の上に位置される、請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
障壁層、圧電層を更に有し、電極層の一つが障壁層の上に位置される、請求項１に記載の振動子。
【請求項４】
保護層として、シリコン窒化物若しくはシリコン酸化物のような無機層、有機層、又は無機層及び有機層の組合せを更に有する、請求項１に記載の振動子。
【請求項５】
前記支持構造体は、前記支持構造体側へ、反対側と比較して高い出力圧を達成するように半開口パイプのように機能し、前記パイプは、前記パイプを通って進む超音波に対する共振条件に合う長さを持つ、請求項１に記載の振動子。
【請求項６】
膜の隣の第１のキャビティが第２のキャビティより大きいボリュームを持つように、溝が第２の主表面と平行な方向に異なるサイズを持つ少なくとも２つのキャビティを形成し、前記キャビティは、前記支持構造体側への出力圧が反対側より高いように、ヘルムホルツ共振器を形成する、請求項１に記載の振動子。
【請求項７】
溝の第１の部分が基板内に設けられ、溝の第２の部分が前記基板の付加的な層内に備えられ、前記付加的な層がパッケージの一部である、請求項５又は請求項６に記載の振動子。
【請求項８】
前記支持構造体は、パッケージ内に実現され、前記パッケージは、プラスチックパッケージ、セラミックパッケージ、ガラスパッケージ、シリコンパッケージ、又はシリコン及びプラスチックパッケージの組合せを有するグループに含まれる、請求項６に記載の振動子。
【請求項９】
前記振動子を機械的損傷から保護するために前記支持構造体上にメッシュが位置される、請求項６に記載の振動子。
【請求項１０】
前記振動子は、動作している素子が配置されるホールを有するプリント回路基板に取り付けられている、請求項６に記載の振動子。
【請求項１１】
前記振動子が、プラスチック、セラミック、ガラス又は金属の少なくとも一つからの剛体で電極側をカバーされ、前記剛体は、ホールが前記電極側上の振動子に接触しないように配置されたホールを有する、請求項１０に記載の振動子。
【請求項１２】
前記剛体が超音波に対する吸収材料を有する、請求項１１に記載の振動子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の少なくとも一つの振動子を有する、アレイ。
【請求項１４】
少なくとも一つの可聴音検出器及び／又は少なくとも一つのパイロ電気センサを更に有する、請求項１３に記載のアレイ。
【請求項１５】
一列に配置され、少なくとも一つの非アクティブの振動子がアレイの端に配置されている、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の振動子を複数有する、アレイ。
【請求項１６】
アレイが振動子のマトリックスであり、前記振動子のマトリックスが、非アクティブの振動子で囲まれている、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の振動子を複数有する、アレイ。
【請求項１７】
前記非アクティブの振動子は、前記アレイの他の振動子と同様であり、前記非アクティブの振動子は、電気制御から分離されている、請求項１５又は１６に記載のアレイ。
【請求項１８】
前記非アクティブの素子が、前記非アクティブの素子の出力電力を阻止するための抑制手段を有する、請求項１５乃至１７の何れか一項に記載のアレイ。
【請求項１９】
少なくとも一つの開口部が前記アレイの端に配置される、請求項１３乃至１８の何れか一項に記載のアレイ。
【請求項２０】
前記振動子の前記支持構造体の側で生成される圧力波がアプリケーションのために使われる、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の振動子、又は請求項１３乃至１９の何れか一項に記載の振動子のアレイの使用。
【請求項２１】
表側及び裏側を持つ基板を得るステップと、前記基板の表側の上に膜を形成するステップと、前記膜の上に圧電層を形成するステップと、前記圧電層の活性部分と接触する第１及び第２の電極を含む少なくとも一つのパターニングされた導電層を形成するステップと、前記膜に対して垂直又は少なくとも部分的に平行ではない壁を有する支持構造体が、前記圧電層の前記活性部分の隣接する側に得られて、溝が、前記活性部分の下に供給されるように、前記裏側から前記基板をパターニングするステップであって、支持構造体側に、前記支持構造体側とは反対側の出力より高い超音波出力を達成するために前記溝を必要な大きさにするステップを有する前記パターニングするステップと、オプションで、パターニングされた導電層の上に保護層を形成するステップとを有する、振動子を形成する方法。
【請求項２２】
前記膜の上に障壁層を形成するステップを更に有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記活性部分を実現するために前記圧電層をパターニングするステップを更に有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
裏側から前記基板をパターニングする前に、前記基板を薄くするステップを更に有する、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子の分野に関し、より詳しくは薄膜超音波振動子を含む超音波振動子及び振動子アレイに関する。本発明は、照明制御、エアコン制御、保安及び動作検知のために、例えばビルにおける存在検出のためにも使用できる超音波振動子に関する。振動子アレイは、また、例えば移動電話の位置決めをカバーする近接検出、例えばロボット工学のナビゲーション、駐車援助（衝突回避）のような多数のアプリケーションにおける距離測定、ユーザインタフェースのジェスチャ制御、流れ検知、ＣＯ２検知、超音波に基づく追跡、又は医学画像を含む超音波撮像のためにも使用できる。本発明の実施例では、小さなサイズで、平らで、コンパクトな、低コストのアレイ上に増強された出力圧を示す超音波薄膜振動子アレイを実現可能にする振動子アレイ及び超音波振動子のプロセス及びデザインが開示されている。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子は、動き及び存在検出のためのセンサのような広いアプリケーションに見られている。超音波振動子は、電気的エネルギーを機械的エネルギーへ変換する装置である。用語「超音波振動子」は、圧電気を介して電気的エネルギーを超音波へ変換する圧電振動子を指すために最もよく用いられている。圧電結晶及び圧電セラミックは、電気的信号が付与されるとき、サイズを変える特性を持ち、よって、交流信号を付与することで、これらを振動させる。装置の共振周波数は、装置の寸法及び積層に依存している。ピエゾ電気結晶又はセラミックは、機械的力がこれらに付与されるとき、電気的信号を生成するので、同じ結晶又はセラミックが超音波送信器及び超音波受信器として用いられる。
【０００３】
国際特許公開公報ＷＯ２００９／００４５５８は、膜がフロント基板上に形成され、圧電層が、活性部分と当該活性部分に隣接して位置される周辺部分との膜上に形成される振動子を開示する。第１及び第２の電極を含むパターニングされた導電層が、圧電層上に形成される。更に、活性部分に隣接する周辺部分に位置される支持体を持つ裏側基板構造が提供されている。支持体の高さは、パターニングされた圧電層及びパターニングされた導電層を組み合わせた高さより大きい。多くの振動子は、アレイを形成するために接続されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高いボリューム生産低コストを可能にする、高い出力圧、小さなサイズ、平坦でコンパクトさを備えた超音波振動子及び振動子のアレイを提供することが、本発明の実施例の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的は、本発明による方法及び装置により達成される。
【０００６】
本発明において、小さなサイズ、平坦でコンパクトな低コストのアレイからの増強された出力圧を示す超音波薄膜振動子アレイを実現可能にする超音波振動子アレイのプロセス及びデザインが考案された。
【０００７】
本発明の実施例による超音波振動子又は超音波振動子アレイの特別な特徴は、基板に接続された膜側で、膜の反対側よりも高い出力を装置が示すということである。測定される出力圧は、基板に接続された膜側で、反対側よりも１．５〜２．０倍又はそれ以上高い。
【０００８】
本発明の特別且つ好適な態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記述されている。従属請求項の特徴は、明確に請求項に記述されているものだけでなく、適当に、独立請求項の特徴及び他の従属請求項の特徴と組み合わされてもよい。
【０００９】
本発明のこれら及び他の態様は、これ以降説明される実施例を参照して明らかに説明されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施例による超音波振動子アレイを例示する。電極層１９の側の膜の上にオプションとして、シリコン窒化物、シリコン酸化物、若しくはシリコン酸化物及びシリコン窒化物の組合せのような無機材料の保護層、有機保護層、又は有機及び無機の保護層の組合せが付与できる。
【図２】図２ａ及び図２ｂは、プロセッサ及びメモリに結合された本発明の実施例による超音波振動子アレイの模式的ブロック図を表す。
【図３】図３ａ、図３ｂ及び図３ｃは、本発明の実施例による超音波振動子を処理する方法を例示する。図３ｄは、超音波振動子アレイの支持体側４０上の角度の関数として、測定された超音波振動子アレイの正規化された（最大出力圧に対して正規化された）出力圧を例示しているグラフである。図３ｅは、支持体側４０の反対側上の角度の関数として、測定された超音波振動子アレイの正規化された（図３ｄに示される支持体側４０で測定される最大出力圧に対して正規化された）出力圧を例示しているグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施例に従って使用される寸法のジオメトリを示した、本発明の実施例による１つの振動子素子を通る断面図である。
【図５】図５は、振動子素子の基板支持体の高さ（基板の下の溝の深度）の幾つかの値に対する周波数の関数として、出力圧のシミュレーションを例示しているグラフである。これらの（基板支持体の音響効果を特に説明する）シミュレーションにおいて、素子は、無限の固体バッフルにおける支持体間のピストンとして単にモデル化されている。シミュレーションされた素子は、図４に図示される断面と直交する次元において無限である。
【図６】図６は、振動子素子の幅の幾つかの値に対する周波数の関数として、出力圧のシミュレーションを例示しているグラフである。詳細は、図５のシミュレーションモデルである。
【図７】図７は、０．８ｍｍ幅の本発明の実施例による振動子素子に対する様々な周波数での基板、例えばシリコン支持体高さ（溝深度）の関数として、出力圧増倍因子（膜の支持体側での出力圧に対する他方の側の出力圧の比率）を例示しているグラフである。詳細は、図５のシミュレーションモデルである。
【図８ａ】図８ａは、本発明による超音波振動子アレイを示し、ここで、振動子アレイはプラスチックパッケージ内に実装されている。この特別なパッケージにおいて、支持体４０は、パッケージのプラスチック材料で部分的に増強され、Ｓｉで部分的に実現されている。オプションで、プラスチックパッケージに、吸収層が実装できる。振動子の損傷保護のために、メッシュが、パッケージの上に付与できる。
【図８ｂ】図８ｂは、本発明による超音波振動子アレイを示し、ここで、振動子アレイはプラスチックパッケージに実装される。この特別なパッケージにおいて、支持体４０は、Ｓｉで実現されている。オプションで、プラスチックパッケージに、吸収層が実装できる。振動子の損傷保護のために、メッシュが、パッケージの上に付与できる。パッケージ内の超音波振動子素子間のクロストークを防止するために、支持体４０の反対側で各素子間に分離部品が、パッケージに実装される。これらの部品は、無機材料又は有機材料から実現できる。
【図８ｃ】図８ｃは、本発明による超音波振動子アレイを示し、ここで、振動子アレイはセラミック又はガラスパッケージに実装される。この特別なパッケージにおいて、支持体４０は、パッケージのセラミック又はガラス材料で部分的に増強され、Ｓｉで部分的に実現されている。オプションで、プラスチックパッケージに、吸収層が実装できる。振動子の損傷保護のために、メッシュが、パッケージの上に付与できる。
【図８ｄ】図８ｄは、本発明による超音波振動子アレイを示し、ここで、振動子アレイはプラスチックパッケージで実装される。この特別なパッケージにおいて、支持体４０は、プラスチック材料で完全に実現されている。オプションで、プラスチックパッケージに、吸収層が実装できる。振動子の損傷保護のために、メッシュが、パッケージの上に付与できる。
【図９ａ】図９ａは、本発明の実施例による構造化された溝を備えた超音波振動子の基本的な具体例である。
【図９ｂ】図９ｂは、本発明による超音波振動子アレイを示し、ここで、振動子アレイはプラスチックパッケージで実装される。この特別なパッケージにおいて、構造化された支持体４０は、パッケージのプラスチック材料で部分的に増強され、Ｓｉで部分的に実現されている。代替的に、プラスチックパッケージに、吸収層が実装できる。振動子の損傷保護のために、メッシュが、パッケージの上に付与できる。
【図１０】図１０は、溝の深度ｈ１の関数、ｗ１の値の関数として、ｗ＝０．８ｍｍの振動子の幅を持つ、図９ａにスケッチされた構造化された溝に対する圧力を例示しているグラフである。
【図１１】図１１は、同じ技術で集積された少なくとも一つのマイクロホンと超音波振動子アレイとを有する本発明の実施例によるマルチセンサの概略図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例によるビームステアリングの結果を例示する。
【図１３】図１３は、集積された少なくとも一つのパイロ電気センサと超音波振動子アレイとを有する本発明の実施例によるマルチセンサの概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の代わりの実施例によるマルチセンサの第１の例の概略図である。
【図１５】図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の代わりの実施例によるマルチセンサの他の例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面は、単に模式的であって非限定的である。これらの図面において、素子の幾つかのサイズは、誇張されていて、説明の便宜上縮尺通りに描かれていない。
【００１２】
図面で参照され、請求項で言及された何れの参照符号も、範囲を限定するものとして解釈はされない。
【００１３】
異なる図面において、同じ参照符号は、同じ又は類似の素子を指す。
【００１４】
圧電薄膜振動子及び振動子アレイを含む本発明の実施例によるセンサの様々な実施例は、費用効果的で、効率的且つ小型の超音波振動子／アレイを可能にする。本発明の実施例による超音波振動子は、平坦な薄型超音波振動子である。本発明の他の実施例は、超音波ビームのスキャン及び電子ステアリングを可能にする、平坦な薄型薄膜振動子アレイを含む。斯様にコンパクトな薄型超音波振動子又はアレイは、特に視線を必要とせず、赤外線センサとは対照的に煙及び熱に反応しないので、様々なアプリケーションを見い出せる。照明制御、エアコン制御、保安及び動作検知のために、例えばビルにおける存在検出の他に、振動子アレイは、また、例えば移動電話の位置決めをカバーする近接検出、例えばロボット工学のナビゲーション、駐車援助（衝突回避）のような多数のアプリケーションにおける距離測定、ユーザインタフェースのジェスチャ制御、流れ検知、ＣＯ２検知、超音波に基づく追跡、又は医学画像を含む超音波撮像のためにも使用できる。
【００１５】
例示的実施例において、図１に与えられるような薄膜圧電振動子アレイは、本発明の実施例による薄膜圧電振動子素子１１のアレイ１０の断面図を示す。アレイ１０及び／又は各振動子素子１１は、任意のサイズ及び形状を持ってもよい。振動子素子１１のピッチ１２は、アプリケーションに基づいて選択される。空中での低い減衰を達成するため空中でのオペレーションのために、アレイ１０は、３０―４５０ＫＨｚの周波数で動作するように通常設計されている。これらの低周波数で動作するために、素子ピッチ１２は、ほぼ数百μｍから数千μｍである。ピッチ１２は、振動子素子１１の幅１３と１つの素子１１を隣接する素子１１から離隔するギャップの幅１４とを足したものである。５００ＫＨｚから３０ＭＨｚ以上までの周波数での装置の動作のため、各振動子素子１１は、動作周波数に依存して、数百μｍ、数十μｍ、又は数μｍまでの非常に小さな幅を持つ。
【００１６】
レイリー基準によると、振動子アレイの空間解像度Ｌは、装置の動作周波数ｆ、音速ｃ、装置の開口ａ、及び対象物までの距離Ｒにより決定される。
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ここでγは１のオーダーの定数であり（円形開口に対して１．２２）、λ＝ｃ／ｆである。直角開口ａｘ及びａｙを持つ矩形開口に対して、解像度Ｌｘ及びＬｙはγ＝１．４３で同じ関係式に従う。
【００１７】
図２ａは、本発明の実施例による薄膜圧電振動子１１のアレイ１０の上面図であって、超音波振動子アレイのパルス化動作の模式図である。ここで、図に示されるように、同じ超音波アレイにより、ある切換回路を利用して送受信できる。アレイ１０は、アレイ１０の制御及びアレイ１０から受信された情報の処理のために、グアルティエーリによる米国特許第６，５４９，４８７号に説明されているように、フェーズシフター、遅延タップ、コンバータ等のような関連する電子回路を持つコントローラ又はプロセッサ２０に接続されている。プロセッサ２０により実行されるときのアレイシステム１１の制御及び動作のための様々なデータ、アプリケーションプログラム及びソフトウェア命令又はコードを格納するためのメモリ２１が、また、プロセッサ２０に動作的に結合されている。アレイ１０は、線形様式又は２Ｄ走査で超音波ビームをスキャンさせるように動作できる。長い送信時間が要求されるとき、２つのアレイを必要とし、図２ｂに示されるように、一方は送信アレイ、他方は受信アレイである。２つの離れたアレイの代わりに、同じアレイ１０からの２行も、発信器及び受信器として使用できる。
【００１８】
本発明の実施例による振動子は、高い出力圧、オプションで従来のセンサより高い出力圧を持つ。
【００１９】
一つの態様では、本発明は、力に応じて変形するように構成されている膜１５を有する振動子１１、特に超音波振動子を提供し、膜１５は、第１の主表面１６及び第２の主表面１７を持つ。膜１５は、膜の動きを許容するために、センサの形成の後、表面から部分的に解放されている。更にまた、振動子１１は、膜１５の第１の主表面１６の上に形成される圧電層１８を有し、圧電層１８は活性部分を持っている。圧電層１８は、パフォーマンスを増大するために所望されるならば、パターニングされていてもよい。更に、一対の第１及び第２の電極１９ａ、１９ｂが圧電層１８と接触して形成され、ここで、第１及び第２の電極１９ａ、１９ｂ間の電界は、圧電層１８の変位と比例している。
【００２０】
本発明の実施例によると、支持構造体４０は、圧電層１８の活性部分の隣接側部で膜１５の第２の主表面１７に供給され、支持構造体４０は、圧電層１８の活性部分の下に溝４１を形成するために、膜１５の第２の主表面１７と実質的に直角をなす壁を持っている。
【００２１】
本発明の第１の態様による振動子１１は、溝４１のため、支持構造体４０に接続された側で、膜１５上に、より高い出力圧を示す。
【００２２】
出力圧は、溝４１の寸法及び他のパラメータに依存し、以下のセクションで更に詳細に説明されるだろう。
【００２３】
図１に例示される実施例において、第１及び第２の電極１９ａ、１９ｂは、圧電層１８の同じ側に設けられる。（図示されない）代わりの実施例では、使用される圧電材料のタイプに依存して、第１及び第２の電極１９ａ、１９ｂは、圧電層１８の対向し合う側に設けられてもよい。電極層１９の側の膜の上にオプションとして、シリコン窒化物、シリコン酸化物、若しくはシリコン酸化物及びシリコン窒化物の組合せのような無機材料の保護層、有機保護層、又は有機及び無機の保護層の組合せが、機械的損傷を妨げるために付与できる。
【００２４】
低コストプロセスに沿って、高い出力圧を持つ本発明の実施例による振動子１１を実現するために、第１のステップ（図３（ａ））において、標準半導体ウエハー、例えばＳｉモニタウエハーのようなＳｉウエハー、及び必ずしも必要ではないが絶縁体（ＳＯＩ）上に半導体が、基板３０として用いられてもよい。本発明の実施例において、用語「基板」は、任意の基礎となる材料、又は、用いられる材料の上に超音波振動子が形成される当該材料を含む。他の代わりの実施例において、この基板は、例えばドーピングしたシリコン、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化ガリウムリン化物（ＧａＡｓＰ）、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板のような半導体基板を含む。更にまた、「基板」は、また、例えばガラス又はセラミック基板のような非半導体基板を含んでもよい。用語「基板」は、このように、対象の層又は部分の下にある層に対する要素を規定するために一般に用いられる。
【００２５】
基板３０上で、薄膜３１が処理される。膜３１は、基板３０から離れた第１の主表面１６と、基板３０に向き合う第２の主表面１７とを持つ。薄膜３１は、適切な材料から作られる。具体例では、薄膜３１は絶縁層である。具体例では、薄膜３１は本来マルチレイヤであり、例えばマルチレイヤの全ての層、又は少なくとも外側の層（基板３０に最も近い層及び最も遠い層）は、絶縁層である。薄膜３１の厚みは、基板３０から少なくとも部分的に解放された後、適切に駆動される場合、膜３１が振動可能であるような厚みである。薄膜３１は、例えば数百μｍからμｍまでのオーダーの厚みを持つ薄いシリコン酸化物層の上で、ＬＰＣＶＤ又はＰＥＣＶＤにより例えば処理された、例えば、予め定められた厚み、例えば０．３μｍと２μｍとの間の厚みを持つシリコン窒化物の第１の層から成る。スタックは、シリコン窒化物の下に百ナノメートルから数百ナノメートルまでの厚さを持つシリコン酸化物の薄い層を持つマルチレイヤスタックでもよい。このシリコン酸化層の上に、シリコン窒化物及びシリコン酸化層が堆積される。例えばＬＰＣＶＤプロセスを使用して、０．５―２．５μｍの厚さを持つシリコン窒化膜は、通常は４０―８０ＭＰａ張力応力レベルを持つ最適化されたプロセスで堆積される。シリコン酸化物は、０．５―１．５μｍの厚さを持って、ＴＥＯＳＬＰＣＶＤ又はＰＥＣＶＤに基づいて堆積できる。−２０から−６０ＭＰａ圧縮の典型的な応力値が付与できる。
【００２６】
基板上の膜スタックは、また、シリコン酸化物、シリコン及びシリコン酸化物のスタックである。
【００２７】
薄膜製造において、薄膜は、しばしば堆積温度又は堆積技術のため、残留応力を持っている。提案された本発明に対して、層の応力の制御は、非常に重要である。より正確に言うと、全ての層の全応力は、制御されなければならない。全応力又は横方向のアンカー上に働く良好な全体の力Ｆｌａｔは、以下の式で計算される。
2013539254.tif 000004
【００２８】
膜は、幾つかの層から成る。これらの層は、基板３０に最も近い層に対して［１］で始まって、層スタックのＮ番目の層に対して［Ｎ］まで番号をつけられる。式において、上付き文字［ｉ］は、膜層スタックのｉ番目の層を示す。膜の長さ及び厚みは、それぞれｂ［ｉ］及びｔ［ｉ］で与えられる。幅は、図１に示される断面の平面と直角をなす膜の横方向次元であることに注意されたい。σｒｅｓ［ｉ］１は、ｉ番目の層の残留応力である。張力応力は、正数により表され、圧縮応力は負数により表される。
【００２９】
横方向の力でのパターニングされた層の効果は、層が膜上を占有する面積で線形に減少されることに留意されたい。
【００３０】
横方向の力の効果は、膜の実効曲り剛性（ＥＩｅｆｆ）を変えることである。膜の全張力応力に対して、実効曲り剛性は増大するし、またこの逆も成立する。これは、より大きい又はより小さな膜サイズによりそれぞれ補償できる。曲り剛性は、膜理論において、曲りに対する膜の機械的剛性を説明するために使われる。実効曲り剛性ＥＩｅｆｆは、以下の式を使用して計算される。
2013539254.tif 000005
【００３１】
αは以下の式により与えられる無次元の横方向の力である。
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【００３２】
Ｌは図１の素子１１の幅を示す。Flatは、上記式で与えられる横方向の力である。ＥＩは、何れの横方向の力もない膜層スタックの曲り剛性である。よって、残留応力の効果は、残留応力が実効膜剛性に影響するということである。
【００３３】
層スタックの膜剛性は、以下の式により与えられる。
2013539254.tif 000007
【００３４】
上付き文字は層スタックの層の番号を示し、ｂ［ｉ］及びｔ［ｉ］は、それぞれｉ番目の層の長さ及び厚みである。Ｅ［ｉ］はｉ番目の層のヤング率を表す。ｚ［ｉ］は膜の底部とｉ番目の層の中心との間の厚み方向の距離である。ｚｎｅｕｔは膜の中間平面の厚み方向の位置である。この位置は、以下の式により決定される。
2013539254.tif 000008
【００３５】
符号は、以前の式と同じである。
【００３６】
シリコン窒化物及びシリコン酸化物、又はシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化物に対して例えばＬＰＣＶＤプロセスを使用して、層スタックは、また、表面１７に対して反対の表面上の基板３０に堆積される。この層スタックは、リソグラフィでパターニングされ、例えばシリコン基板への溝４１をエッチングするためのハードマスクとして使用できる。このリソグラフィのステップは、生産フローのために何が最も便利であるかに依存して、膜堆積の後に直接なされるか、又は、このプロセスの他の処理ステップの後、なされることができる。
【００３７】
膜３１の第１の主表面１６上に、障壁層３２が堆積される。特定の実施例では、薄い、例えば６０ｎｍ−１００nm厚さのチタン酸化物層が堆積されてもよい。しかし、また、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、又は圧電チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層とこれらの酸化物との組合せのような他の任意の障壁層も付与できる。
【００３８】
本発明の幾つかの実施例において、障壁層３２の上に、圧電層３３が設けられ、その上部に電極層３４が設けられている。（図示されない）代わりの実施例において、障壁層３２の上に、第１の電極層、次に圧電層３３、次に第２の電極層が設けられる。
【００３９】
圧電層３３は、下記のような種々異なる材料に基づいていてもよい：
−チタン酸ジルコン酸鉛。
−ドーピングを持つ、及び持たないＰｂＺｒｘＴｉ１―ｘＯ３（０＜ｘ＜１）、ドーピングはＬａ、Ｍｎ，Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｎｉ又はこれらのドーピングの組み合わせを有する。
−（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）―ＰｂＴｉＯ３（Ｐｂ（Ｓｃ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）―ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）１―ｘ―ｙ（Ｍｎ１／２Ｎｂ１／２）ｘＴｉｙＯ３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３―ＰｂＴｉＯ３、Ｓｒ３ＴａＧａ３Ｓｉ２Ｏ１４、Ｋ（Ｓｒ１―ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５（０＜ｘ＜１）、Ｎａ（Ｓｒ１―ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５（０＜ｘ＜１）、ＢａＴｉＯ３、（Ｋ１―ｘＮａｘ）ＮｂＯ３（０＜ｘ＜１）、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ、Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３、Ｂｉ７Ｔｉ４ＮｂＯ２１、（Ｋ１―ｘＮａｘ）ＮｂＯ３−（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３（０＜ｘ＜１）、（ＢｉｘＮａ１―ｘ）ＴｉＯ３―ｂ（ＫＮｂＯ３―ｃ）、１／２（Ｂｉ２Ｏ３――Ｓｃ２Ｏ３）（０＜ｘ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＣａｃ）ＴｉｘＺｒ１―ｘＯ３（０＜ｘ＜１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＬａｃ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４のような他の圧電層。
−窒化アルミニウム、フッ化ポリビニリデンのような有機ポリマー、又は他の圧電薄膜材料が付与できる。
【００４０】
圧電層は、数百ナノメートルから数μｍまでの間の厚みを持つ。ランタンドープされたチタン酸ジルコン酸鉛フィルムは、厚み及び処理に依存して、２０ＭＰａから４００ＭＰａまでの典型的張力応力を持ちながら、例えば０．５―２μｍの厚さを持つ。しかし、もちろん、異なる残留応力を持つ、より薄い層又はより厚い層も付与できる。
【００４１】
電極層３４は、任意の適切な導電材料でできている。具体例において、電極層３４は、例えばＴｉ＋Ａｕの電極スタックである。斯様な電極スタックは、５０nmのチタンと数百ナノメートルから１μｍまでのＡｕとの厚みで堆積される。斯様な層の典型的応力値は、１００―３００ＭＰａの張力のオーダーである。Ｔｉ／Ａｕスタックの他に、電極層３４は、任意の適切な材料から成り、例えば、Ｐｔのような他の任意の金属層、又はＣｕ若しくはＳｉでドープされた若しくはドープされていない例えばＴｉＷ／Ａｌ、Ｃｕ若しくはＳｉでドープされた若しくはドープされていないＴｉＮ＋Ａｌのような適切な導電材料が適用できる。もちろん、他の金属も可能である場合もある。
【００４２】
図３ｂに図示された次のステップにおいて、圧電層３３と同様に電極層３４はパターニングされ、例えばリソグラフィでパターニングされ、よって、圧電薄膜超音波素子の活性領域を実現するように、パターニングされた圧電フィルム１８及びパターニングされた電極１９を形成する。複数の電極が図３ｂに示されているが、本発明は、最も単純な形式の２つの電極でも機能する。デザインの拡張版において、金属領域１９が圧電層１８の上の各素子の縁に位置されるレイアウトは、取り除かれる。代わりに、また、圧電層は、パターニングされる必要はないかもしれない。このようにして、マスクステップがプロセスにおいて低減でき、製品のコストを下げるであろう。
【００４３】
オプションでは、このステップの後、又は他の任意の基板パターニングステップの後、示されていない保護層が、電極層１９側の膜の上に付与できる。保護層は、シリコン窒化物、シリコン酸化物、若しくはシリコン酸化物及びシリコン窒化物の組合せのような無機材料の保護層、有機保護層、又は有機及び無機の保護層の組合せであり、センサを機械的損傷から防ぐために付与できる。この保護層は、リソグラフィでパターニングできる。
【００４４】
独立の膜１８を実現し、高い素子密度を達成するために、基板材料、例えばシリコンは、圧電薄膜超音波素子の活性領域の下から除去される。これは、図３ｃに図示される。これは、膜処理の間、ウエハーの裏側に堆積された膜層である図３ｃに示されていない層３１’をシリコン３０の裏側からパターニングすることにより達成される。しかし、層３１’は、裏側からＳｉをパターニングするために堆積された他の任意の無機層又は有機層でもよい。本発明の具体例において、基板材料の斯様な除去は、裏側から膜３１まで基板３０をドライエッチングすることにより実施される。代わりに、ＫＯＨのウエットエッチングと組み合わせられた主要なドライエッチングが適用されてもよい。ウエットエッチング及びドライエッチングのエッチングステップのために、有機層、無機層、又は無機層及び有機層の組合せの保護層は、ウエハーの上に付与できるが、溝の側壁にも付与できる。
【００４５】
基板材料の除去は、支持構造体４０が圧電層１８の活性部分の隣接する側上に残るようにされる。支持構造体４０は、圧電薄膜超音波素子の活性部分の下に溝４１を形成する。本発明の具体例において、溝４１を形成するための基板材料の除去は、支持構造体４０が、膜３１の第２の主表面と実質的に直角をなす溝４１に接している壁を持つようになされる。このようにして、残りの支持構造体が膜３１の第２の主表面と実質的に直角をなす壁を持つような基板材料の除去により、振動子素子１１は、アレイ１０において互いに非常に近くに配置できる。例として、数百μｍから数ミリメートルの幅を持つ振動子素子１１は、わずか数百μｍだけ互いから離隔されている。よって、本発明の実施例にて用いられるフルのドライエッチング又は少なくとも部分的なドライエッチングは、基板のフルのウエットエッチングと比較して、非常に高い素子密度を可能にする。
【００４６】
プロセスの更なる拡張では、低コスト装置を実現するために、基板をドライエッチングする前に、例えば標準モニタウエハーは、例えば５０―５００μｍまで薄くされる。その後、基板、例えばＳｉは、フルのドライエッチング又は少なくとも部分的なドライエッチングでバルク微細（マイクロマシン）加工される。
【００４７】
最終的に非常に高い素子密度を達成し、低コストプロセスも使用するために、所定の結晶方向を持つ基板が使われ、例えば、Ｓｉ（１１０）ウエハーが使われ、その上に、膜３１及び圧電層３３が堆積される。特に、ＫＯＨでのＳｉ（１１０）エッチングは結果的に急峻な壁になり、このようにして、高い素子密度が得られる。
【００４８】
他の基板に対して、例えばサンドブラスト又は他の任意の技術で、膜の下の材料は、取り除かれ得る。
【００４９】
本発明の実施例による超音波振動子アレイ１０、又は本発明の実施例による振動子素子１１の有利な特徴は、装置１１が、第２の主表面１７で、反対側（第１の主表面１６）と比較して、支持素子４０に接続されている膜３１上に高い出力圧を示すということである。
【００５０】
斯様なタイプの装置で達成される典型的データの例は、以下に挙げられる。しかし、もちろん、測定されたデータは、装置デザイン及び膜応力に強く依存し、よって強く変更されることは明らかである。例えば、図１及び図３ａによる圧電薄膜アレイは、シリコン酸化物０．５μｍ、シリコン窒化物２μｍ及びシリコン酸化物１μｍのスタックを持つ典型的膜３１を持つ通常８つの素子を有する。膜３１上に、６０nmのチタン酸化物障壁層３２、通常は１．６μｍの圧電層１８、５０nmのチタン層及び１μｍのＡｕ層が堆積され、ここで、チタン及び金の層は金属電極１９を形成し、通常は１０μｍの幅を持つ。金属電極１９間の圧電薄膜１８の幅は、通常は６μｍであり、通常は、金属電極１９は、圧電薄膜１８の上に振動子素子１１当たり１６本の信号ラインと１７個のグランド接触部とを形成する。圧電薄膜１８が素子１１に存在していない幅は、圧電フィルム１８の両側で通常は１１０μｍである。８０２μｍの幅及び３ｍｍの膜の長さの溝４１と、４００μｍの幅及び６８０μｍのオーダーのＳｉ支持部材の高さのＳｉ支持構造体４０とを持つ、通常は７０−８０ｋＨｚで動作するアレイに対して、Ｓｉ支持構造体４０が位置されるアレイ側上に伝達される圧電薄膜アレイの超音波出力圧は、マイクロホンで測定される。超音波振動子アレイの支持体側４０での出力圧に正規化される出力圧は、反対側で測定される出力圧と比較して４倍高い（図３ｄ及び図３ｅを参照）。
【００５１】
上記で与えられる超音波振動子アレイの寸法の他に、また、素子の任意の他のサイズ及び形状も、適用できる。
【００５２】
例えば、上記の例に似た膜、圧電薄膜及び電極が使用できるが、３ｍｍの代わりに、たった２ｍｍの長さを示し、これは、通常は６０―９０ＫＨｚの周波数で動作する超音波振動子アレイに結果としてなり、支持体側４０で、反対側よりも高い出力圧を示す。
【００５３】
超音波振動子アレイのＳｉ支持体側４０で測定される４倍の極めて高い出力圧は、以下の通りに説明できる。各素子１１の境界で支持構造体４０は、半開パイプに似たように機能する溝４１を形成し、これは、波長の特定の範囲に対する圧力出力を増大する効果を持つ。特定の実験において、増倍因子は４のオーダーであったが、また、より小さい増大及びより大きい増大は、以下に報告されるシミュレーションに示されるように確かに可能である。従って、装置１１は、素子１１の基板側の圧力波が、（膜３１の反対側で生成される圧力波よりはむしろ）関係するアプリケーションのために使われるように、好ましくは作られる。シミュレーション結果から、圧力増倍因子（基板側の圧力と素子の反対側の圧力との比率）が、予め定められた周波数でピークを持つことが分かる。これは、支持構造体４０により形成される溝４１又はパイプの定常波の作成により説明される。ジオメトリのために図４を参照されたい。
【００５４】
溝４１の開放側で、振動している膜３１により生成される波は、πの位相ジャンプで部分的に反射される。溝４１の長さＬ、すなわち、溝４１の第２の主表面１７と実質的に直角をなす寸法が定常波の共振条件に合う場合、出力圧は大きく増幅できる。共振条件は、以下の式により与えられる。
2013539254.tif 000009
ここで、ｆｎは、ｎ番目の共振周波数であり（ｎ＝１、２、３、４．．．）、νは音速であり、Ｌ’は溝の実効音響長さである。溝の実効音響長さＬ’が、以下のように規定される。
Ｌ’＝Ｌ＋αｄ
ここで、Ｌは、溝の幾何学的な長さ（図４を参照）、すなわち、溝４１のエッチング前の基板３０の厚みであり、ｄは、溝４１の断面の代表寸法であり、αは、溝の断面のジオメトリに依存する補正因子である。補正因子α及び代表寸法ｄの例は、異なる断面ジオメトリに対する下記の表に挙げられる。
2013539254.tif 000010
ここで説明されている共振が膜の共振を妨げる場合、共振周波数はシフトしてもよい。
【００５５】
図５は、支持構造体４０の高さの幾つかの値に対する、よって、溝４１の長さＬ（溝の深度）の幾つかの値に対する膜３１の発振周波数の関数として、溝４１の出力での圧力のシミュレーションを図示する。
【００５６】
これらのシミュレーションにおいて、振動子素子１１の膜の動きは、無限の固体バッフル内の支持体間のピストンとしてモデル化されている。シミュレーションされた素子は、０．８ｍｍ幅であり、図４の断面と直角をなす次元において無限である。これらのシミュレーションは、特に、支持構造体４０の音響効果を説明する。各発振周波数に対して、特に２０ｋＨｚと１５０ｋＨｚとの間の発振周波数に対して、ゼロとは異なる深度を持つ溝は、斯様な溝が存在しない場合（５０）より高い出力圧を供給することが分かる。
【００５７】
通常、圧電素子１１の幅は、開口部４１の代表寸法ｄに等しい。ヘルムホルツ共振器（下記参照）の場合、代表長さも、小さくてよい。（ハーフパイプの）共振周波数ｆｎは、溝４１の実効長さＬ’を介した、素子幅にも依存する。これは、ＦＥＭシミュレーションにより示される。図６では、音響出力圧が、素子の幅の幾つかの値に対する周波数の関数として示される。ここで、素子の幅は変化するのに対し、溝の長さ、すなわちＳｉ基板の厚みは０及び０．６８ｍｍで一定に保たれている。幅の各値に対して、下位の曲線（６１、６３、６５）は長さ０の剛性支持体での結果を示し、上位の曲線（６０、６２、６４）は長さ０．６８ｍｍの支持体の結果を示す。他のシミュレーションモデルの詳細は図５にある。溝４１の幅がより大きいほど、ハーフパイプの共振周波数が低くなることが、図６から分かる。
【００５８】
パイプの音響インピーダンスは、パイプ内の音圧とパイプを通る流速との比率である。パイプの音響インピーダンスは、パイプの断面の代表寸法ｄとパイプの長さＬとに依存する。
【００５９】
パイプの開放端での音響圧力波の反射は、（Ｚ２―Ｚ１）／（Ｚ２＋Ｚ１）により与えられ、ここで、Ｚ２はパイプの音響インピーダンスであり、Ｚ１は自由空間の音響インピーダンスである。よって、低めのｄの値を持つパイプは、開放端で大きめの反射を導く。引きかえに、相対的な圧力増大ピークは、増大し、より狭くなる。これは、共振の幅及び増幅率を調整するために使用できる。開口寸法が変えられる場合、特に、代表寸法ｄが変えられる場合、パイプの長さＬも、実効長さＬ’を考慮するために調整される必要がある点に留意されたい。
【００６０】
図７は、様々な周波数での支持構造体４０の高さ（溝の長さＬ）の関数として、圧力増倍因子を図示する。溝の断面の代表寸法は、ｄ＝０．８ｍｍで一定に保たれる。他のシミュレーションモデルの詳細は図５にある。各発振周波数に対して、溝４１の最適な長さが見つかることが分かり、最適な長さで圧力増倍因子は最大になる。発振周波数が高いほど、対応する最適長さは低くなる。これは、最高の増倍因子が、共振周波数にあるか、又は少なくとも共振周波数近くにあり、長さ（支持体の高さ）で低下しているという事実から生じる。
【００６１】
上記のシミュレーションは、ＳｉウエハーからのＳｉに基づいた支持体４０で実施された。しかし、支持体４０は、ガラス、金属、セラミックのような他の無機材料からも作られるか、又は有機材料からも作られる。支持体４０は、これらの材料の組合せからも作られ、ここで、例えばＳｉ部分から例えば５０―５００μｍの高さが構築される。支持体の最適厚みを達成するために、ポリマー、ガラス、金属又はセラミック部分が、例えば上部に接着させることにより取り付けられる。パッケージにされた装置に含まれる斯様なタイプの支持体のための図面が、図８ａに示される。見てわかるように、Ｓｉは例えば４０―４００μｍまで研磨される。支持体も有する、例えばＦＲ４からのポリマーパッケージは、例えば接着することにより付与される。Ｓｉ側は、金属の例えば薄いメッシュベースで、保護のためにカバーされる。パッケージにおいて、代わりに、吸収層が付与できる。
【００６２】
代わりに、支持体は、完全にＳｉから処理できる。考えられるパッケージの１つの例は、図８ｂに示される。また、代わりに、このパッケージにおいて、吸収層も付与できる。
【００６３】
また、パッケージ内の素子間のクロストークを防止するため、パッケージ内に、無機材料、有機材料又は両方の組合せから作られる分離部品が含まれる（図８ｂ参照）。
【００６４】
代わりに、また、支持体は、Ｓｉから作られ、トップ（上）にセラミック又はガラスを持ち、これは、図８ｃに示されるように、例えばパッケージに含まれる。ここでプラスチックパッケージの代わりに、セラミック又はガラスパッケージも付与できる。膜側上のパッケージは、もちろんプラスチックに基づくこともできる。代わりに、パッケージにおいて、吸収層が付与できる。
【００６５】
代わりに、溝４０は、完全にポリマー層から処理され、図８ｄに模式的に示されるように、パッケージに含まれる。
【００６６】
高い出力圧を持つ全ての超音波振動子アレイに対する本発明の他の実施例において、パッケージは、振動子を機械的損傷から保護するために、支持体側４０上にメッシュを含む。保護のためのメッシュは、例えば約２００μｍ＊２００μｍの大きな開口及び２８μｍの金属ワイヤ直径を持つ金属メッシュ又は金属グリッドである。また、５００μｍ＊５００μｍの開口及び２５０μｍの金属ワイヤ直径を持つ小さめの開口のメッシュが使用できる。
【００６７】
本発明の他の実施例において、超音波振動子アレイの単純で低コストのパッケージングは、プリント回路基板に例えば接着することにより支持体４０及び開口部４１に振動子素子を持つアレイを取り付けることにより実現される。プリント回路基板は、ダイ上の振動子素子が位置される位置にホールを有する。機械的損傷からアレイの保護のために、金属メッシュは、支持体側４０上の全ての素子の上のプリント回路基板上に接着される。電極１９が位置される振動子アレイの反対側に、無機又は有機剛体が、電極側１９上の振動子素子を保護するプリント回路上に接着される。剛体は、電極側１９上の超音波振動子素子に触れないように、内部にホールを持つプラスチック、セラミック、ガラス又は金属カバーである。剛体は、内部に超音波吸収材料を有する。
【００６８】
上記のシミュレーションは、振動子素子、特にその膜のピストンのような動きに対して実施された。実際に、素子は、圧電性であり、好適な動作のための特定の限られた周波数バンドを持つ。この周波数バンドを決定するパラメータの１つは、素子の幅ｄである。支持構造体による周波数ピークが動作の周波数バンドにあるように、支持構造体４０の高さを選択することが、全ての場合で好ましいというわけではない。ピークの高さは周波数に強く依存し、その結果、動作の周波数バンド内で、動作のバンドの外側にピークを与える支持構造体高さに対する増倍因子は、動作のバンド内にピークを与える支持高さに対する増倍因子と同じ大きさである（１００ｋＨｚ周辺で図５の曲線５１と曲線５２とを比較する）。
【００６９】
本発明の他の実施例において、支持構造体８０が構造化される場合、更により高い出力圧が達成できる。斯様な構造化の例のスケッチは、図９ａに与えられる。構造化の一部は、半導体基板３０、例えばシリコン基板においてではなく、パッケージ層において実行されてもよい。図９ａに図示された具体例において、高さｈ２を持つ構造化された支持構造体８０の部分は、例えば基板において実行できる一方で、高さｈ１を持つ構造化された支持構造体８０の部分は、パッケージ層において実行できる。しかし、これは、また、高さｈ２及び高さｈ１の両方の部分が、パッケージ部分において、又はシリコン部分において実現され得る。
【００７０】
図９ｂにおいて、ｈ２がＳｉから作られ、ｈ１がポリマーから作られる例が示されている。代わりに、パッケージにおいて、吸収層が付与できる。これは単なる例であり、パッケージの多くの他のバージョンが可能であるべきである点に留意されたい。
【００７１】
図９ａの特定の例において、振動素子、例えば膜３１は、ヘルムホルツ共振器タイプのジオメトリの底にある。
【００７２】
図１０において、斯様な構造体は、構造化されていない支持体４０による増大より、はるかに優れている増大に至ることが示される。図１０は、図９ａに図示されるように、幅ｗ＝０．８ｍｍを持つ構造化された溝８１に対する圧力を図示する。曲線９０は、溝のない振動素子に対する曲線である。他の曲線では、溝８１の高さは、ｈ１＝２．６７ｍｍ及びｈ２＝１．３３ｍｍである。ｗ１の値は変化する。ｗ１＝０．３ｍｍ（曲線９１）、ｗ１＝０．２ｍｍ（曲線９２）、ｗ１＝０．１ｍｍ（曲線９３）。構造体寸法の適切な選択により、選択の周波数で、大規模な増大を達成する。図１０は、正にその例である。実際的な限界の範囲内の所望の周波数で最も高い増大をモニタするために、構造体を最適化できる。
【００７３】
細長い膜又は振動しているプレートの圧力を増大する溝４１及び構造化された溝８１の効果は、異なる形状の膜又はプレートに対しても存在する。円形の膜又はプレートの場合、球形の構造化された又は構造化されていない溝４１、８１を適用することが有効である。矩形又は円形の膜形状の他にも、他の形状、例えば楕円、六角形の形状等が使用できる。ピットの壁を形成するために、基板及び／又はパッケージ層を同様に使用してもよい。
【００７４】
本発明による構造化された支持体を持つ振動子素子の具体例において、支持体の側壁は、膜３１の主表面と区分的直角をなすが、これは、圧力増大を得るために重要でない。溝の一部が膜に対して垂直ではなく、むしろ傾斜した側壁を持つ構造化された溝についても考え得る。
【００７５】
図１４に表される本発明の付加的な態様によると、超音波アレイ１４００は、一つの軸Ｘ−Ｘに沿って位置合わせされた複数の活性振動子素子１４０１を有する。実施例のこの例によると、位置合わせされた素子の各端部で、アレイは、更に、第１の端部に第１の非アクティブの振動子素子１４０２と、第２の側部に第２の非アクティブの振動子素子１４０３とを含む。この例では、１つだけ非アクティブの振動子１４０２及び１４０３が各端部に位置するが、各端部に複数の非アクティブの振動子を持つことは可能である。アレイのこの特定のアレンジメントは、アクティブの素子の出力周波数の均一性を増大することを可能にする。
【００７６】
周波数均一性の利点を得るために、前の実施例の特定のアレンジメントの使用は、必要とされず、従来の振動子素子で、すなわち前に説明された壁のアレンジメントなしで、得られる点に留意されたい。しかしながら、本発明のこれらの２つの態様の組合せは、高い出力パワー及び増大された周波数均一性を呈する高品質の振動子を可能にすることは理解されるべきであり、これは、均一な周波数動作及び高い出力のため、振動子アレイの小さなビーム幅を可能にするので、その結果、例えば人間が、かなりの距離の小さなゾーン内のマウスを手で動かしているような、存在検出が小さな対象物で達成できる。これは、他の対象物、例えば人間が前のゾーンに隣接する小さなゾーン内のマウスを手で動かしていることから区別できる。
【００７７】
高い超音波出力を持つ本発明のこの例による超音波振動子アレイは、振動子アレイの各側上の動作している素子の隣の、動作中用いられていない（少なくとも）１つの付加的な素子を利用することにより、動作している素子のための均一な動作周波数を示す。従来のアレイでは、外側の素子は、内側の素子の共振周波数より低い共振周波数を持つ。従って、アレイの全ての素子が使用可能である場合、アレイの共振周波数は均一でない。動作されていない外側の素子の付与により、全ての動作可能な素子は、アレイの内側の素子であり、（ほとんど）同一の周波数を持つ。
【００７８】
外側の素子が低めの共振周波数を持つという事実が、実験で見つかった。シミュレーションにおいて、実験的な支持構造体４０を持つ素子の無限アレイの共振周波数と、両側に固定された素子の共振周波数とが比較された。シミュレーション結果は、両側に固定された素子が無限アレイの素子より４ｋＨｚ低い共振周波数を呈することを示した。
【００７９】
実際に、アレイの外側の素子は、一方の側上に、素子間に支持構造体４０と、他方では、パッケージに含まれる基板部分の大きな支持部とを持つ。この大きな支持部は、固定のようである。内側の素子に対するシミュレーション、及び両側に固定された素子に対するシミュレーションに基づいて、一方の側だけに固定された外側の素子の共振周波数は、内側の素子の共振周波数よりおよそ２ｋＨｚ低いであろうと予測される。これは、以下の表に示されるように、動作している振動子の動作周波数の高い正確さで、超音波振動子アレイの実験の結果と一致している。実験の振動子アレイは、図１４に示されるものと同様である。このアレイは、上述されたように、３ｍｍの高さを持つ動作している８つ（２から９まで）の圧電薄膜素子と、動作中に使用されていない各側に３ｍｍの高さを持つ一つの超音波振動子素子（１及び１０）とを有する。データから分かるように、８つの動作している素子は、同一周波数で動作する。アレイの各側上に付加的な素子を加えて、８つの素子が９９％の正確さの範囲内にある動作周波数を持つ超音波振動子アレイを実現することが可能である。
2013539254.tif 000011
【００８０】
この実施例の第１の例は、図１５Ａに示されるように、２次元のアレイまで拡張できる。この第２の例において、アレイ１５００は、２つの次元Ｘ−Ｘ及びＹ―Ｙに沿って配置された複数のアクティブな振動子素子１５０１を有する。これらの振動子素子１５０１は、複数の非アクティブの振動子素子１５０２により囲まれている。これらの非アクティブの振動子素子は、方向Ｘ−Ｘ及びＹ―Ｙに沿ってアクティブの素子１５０１と位置合わせされる。
【００８１】
図１５Ｂに示される代替例において、非アクティブの素子１５０２は、一次元に沿ってアクティブの素子周辺にだけ配置される。実際、非アクティブの素子は、４つの縁のうち２つの縁にだけ配置される。よって、この配置（アレンジメント）は、大量の非アクティブの振動子素子１５０２を必要とすることなく、アクティブの素子１５０１の周波数均一性を増大可能にする。
【００８２】
前の例において、非アクティブの素子１４０２、１４０３及び１５０２は、非アクティブの素子上に入力電極を具備しないことにより動作していなくてもよい。振動子素子のドライバが、アクティブの振動子素子１５０１だけに給電し、非アクティブの振動子素子１５０２に給電しないように設けられることも可能である。
【００８３】
他の実施例において、アクティブの振動子素子の隣の開口部４１は、アクティブの振動子に対する均一な周波数を実現するために、支持体Ｓｉ内にエッチングされる。このようにして、アクティブの振動子素子の隣のフルに非アクティブの振動子素子は処理される必要があるが、代わりに、アクティブの振動子素子の隣の支持体内の開口部４１だけは、処理される必要はない。
【００８４】
出力周波数の均一性を更に改良するために、非アクティブの素子の各々に対して、例えば上記実施例のアクティブの振動子素子を保護するために使用される金属グリッドの代わりに、マッフル材料が供給されることも可能である。よって、非アクティブの素子の低めの共振周波数の影響は小さくなる。
【００８５】
本発明の別の態様では、高い超音波出力を持つ本発明の実施例による超音波振動子アレイは、信頼性が高い存在検出のための音声マイクロホンと組み合わされる。よって、本発明のこの態様によると、素子の一つ（以上）が、聞き取れる周波数スペクトルで検出する機能を持っている、マイクロホンのアレイが供給される。異なるセンサの斯様な統合（センサ融合）が、一つ以上のパラメータを確実に検出するために使われる。通常は、異なるタイプのセンサが組み合わされるシステムは、非常にかさばる。本発明において、マイクロホン素子又はマイクロホンのアレイと統合される、高い超音波出力を持つ本発明の実施例による統合された超音波センサ素子を持つ新しい概念が提案される。この実施例の特別な特徴は、高い出力圧を持つ超音波振動子がマイクロホンと組み合わされるように、同じ技術が適用されるということである。これらの２つの特徴を組み合わせることにより、小さくて、コンパクトで、より信頼性が高いシステムが得られる。その上、このシステムは、製品デザイナーにとってずっと魅力的にする小さな形成因子を持つ大きくはない装置である。
【００８６】
本発明のこの態様において、本発明の実施例による複数の薄膜ベースの超音波センサと、少なくとも一つの音声マイクロホンとを具備するマルチセンサ素子が説明される。第１の実施例において、本態様は、薄膜圧電振動子に基づいた解決策を提供する。この実施例は、図１１に図示されている。図示されるマルチセンサ素子１００は、本発明の実施例による数個の超音波振動子１１（図１１では、２つだけが描かれている）を有するアレイ１０と、１つの音声マイクロホン１０１とを有する。
【００８７】
図１１に図示される実施例において、８００μｍ幅の素子１１は、周波数６０―１００ｋＨｚの超音波を生成する。これらの素子１１への位相遅延入力は、超音波ビームのステアリングを容易にする。図１２は、超音波振動子アレイを用いて約４５度だけステアリングされる超音波ビームプロフィールを示す。図２ａのようなマトリックスフォーマット（行列形式）に配置されたアレイ素子は、２方向にビームをステアリングでき、２Ｄスキャンをレンダリングできる。アレイ１０の隣に、大きな膜サイズを持つ別個の素子１０１が、受動的な態様で聞き取れる音の検出のためにデザインされている。
【００８８】
本発明は図面及び前述の説明で詳細に図示され説明されてきたが、斯様な図例及び説明は、図示的又は例示的であるとみなされるべきであって、限定的ではない。本発明は、開示された実施例に限定されない。
【００８９】
本発明の別の態様では、本発明の実施例による超音波振動子アレイは、高い出力圧を持つ超音波振動子若しくは超音波振動子のアレイと、薄膜パイロ電気センサ若しくはパイロ電気センサアレイとの組み合わせである。当該実施例は、超音波の高い出力を持つ少なくとも一つの圧電薄膜超音波振動子及び／又は圧電振動子のアレイと、少なくとも一つの薄膜パイロ電気センサ及び／又は赤外線（ＩＲ）を検出するためのパイロ電気センサのアレイとの組み合わせを含む。特別な特徴は、高い超音波出力を持つ超音波装置の他に、同じ技術がパイロ電気センサ又はセンサアレイを集積するために適用されるということである。圧電材料は、超音波及びＩＲ信号の生成／送信及び超音波及びＩＲ信号の受信／検出のために用いられる。もちろん、また、異なる圧電及びパイロ電気材料が適用されてもよい。
【００９０】
以下は、組み合わされた薄膜超音波及びパイロ電気検出器の実施例を示す。
【００９１】
図１３は、パイロ電気センサ及び超音波振動子のアレイを示す。もちろん、アレイに配列される代わりに、組み合わされた超音波及びパイロ電気振動子が、独立型の検出器でもよいし、又は任意の所望の構成の他の検出器と共に使われてもよい。超音波及び／又はパイロ電気センサは、単一の素子として又は素子のアレイとして、例えばシリコン窒化物若しくはシリコン酸化物、又は任意のタイプの組み合わせの任意のタイプのスタックのシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化物である膜の上で処理される。もちろん、この実施例及び他の実施例にあるように、Ｓｉのような他の任意の膜材料又はＳｉ及びシリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ２）の膜スタックの組合せも使われてもよい。シリコン酸化物窒化層の利点は、低い比熱及び低い熱伝導率であり、これはパイロ電気装置の熱時定数を増大させる。当該熱時定数は、温度増大デルタＴがその背景値まで緩和する時間である。この例では、ドープされていない、又はＬａ若しくはＭｎドープされたチタン酸ジルコン酸鉛である圧電層が、膜の上で処理される。上記のように、膜と圧電層との間に、障壁層が付与されてもよい。この圧電層は、また、超音波振動子の次に形成されて処理されるパイロ電気検出器のパイロ電気センサ材料として役立つ。圧電性／パイロ電気層は、アレイの超音波振動子素子間のクロストークだけでなく、超音波装置又は素子とパイロ電気の装置又は素子との間のクロストークを防止するためにパターニングされる。（上記電極と同様に）トップ電極が付与される。デジタル電極は、チタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）でもよい。しかしながら、ＩＲ放射線の最適吸収を提供するニッケル／クロミウム（Ｎｉ／Ｃｒ）電極のように、他の材料が、電極のために使われてもよい。電極は、超音波振動子用の電極、更にはパイロ電気検出器装置用の電極を作るためにパターニングされる。各パイロ電気素子は、互いに嵌合されたトップ電極を持つ。最も高い感度のために、これらは、２つのセンサを形成する。一方のセンサは、例えば、センサの上に取り付けられたレンズを介して赤外線により照射される。第２のセンサは、基板上に位置され、照射されない。差動信号は、赤外線放射の何らかの変化を示す一方、周囲温度の遅い変化はキャンセルされる。フレネルレンズのような光システムは、Ｓ／Ｎ比を含む信号を最適化するために含まれる。基準センサの加熱を防止するために、また、保護層が、基準センサの下の支持体側に取り付けられる。
【００９２】
照射されたパイロ電気素子の温度の変化は、結果的にパイロ電気素子の分極の変化になり、よって、また、結果的に表面での電荷の解放になる。これらの電荷は、動き（又は温度の変化）を示す電圧を生じ、増幅器により読み出される。よく知られているように、レンズは、ＩＲ放射線を受けるために、パイロ電気素子の膜の前に備えられる。
【００９３】
所望の動作のために、異なるデザインが可能である。あるバージョンにおいて、２つのパイロ電気素子は、直列にデザインされ、互いに逆の分極処理を持つ。斯様な二重素子レイアウトは、同時に両方の素子を加熱する背景温度の変化を補償するために用いられる。二重素子デザインの他に、４個又はそれ以上の素子のようなパイロ電気の素子の所望の数を用いた他のデザインが使われてもよい。
【００９４】
他の装置、回路及び電子回路が、例えば基板に集積されて、供給されてもよい。ＦＥＴのアンプのような電子回路は、基板上に別々に取り付けられ、超音波振動子及びパイロ電気センサを有する装置にワイヤ接続されてもよい。
【００９５】
このように、検出器のアレイは、超音波検出器だけ、ＩＲ検出器だけ、又は超音波検出器及びＩＲ検出器の組合せを、任意の所望の数の検出器又は組み合わせで含み、任意の所望の数の赤外線素子が、超音波及び赤外線両方の送信、検出、撮像のために使用される組み合わせのアレイを形成するため超音波素子の隣に形成される。斯様な組み合わせの超音波及びＩＲ振動子は、薄膜処理により形成され、ここで、電極は、上述のものと同様に、圧電材料の同じ側又は両側にある。
【００９６】
開示された実施例に対する他のバージョンは、図面、明細書及び添付の請求の範囲の検討から、請求された本発明を実施する当業者により理解され、遂行できる。請求項において、用語「有する」は、他の素子又はステップを除外しないし、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項に引用される幾つかの部材の機能を満たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に引用されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが効果的に使用できないことを示さない。
【００９７】
前述の説明は、本発明の特定の実施例を詳述している。しかしながら、前述の説明がどんなに詳述されていたとしても、本発明は、様々な態様で実践されてよく、従って、開示された実施例に限定されないことは理解されるだろう。本発明の特定の特徴又は態様を説明するとき、特定の用語の使用は、用語に関連する本発明の特徴又は態様の何れかの特別な特性を含むように制限されるように、用語が本願で再定義されていることを意味すると採られるべきでないことは、留意されたい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【国際調査報告】
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