(57)【要約】【課題】  従来技術に比較して感度を増大させ、かつ外来ノイズの影響を受けにくい圧電型超音波センサ素子を提供する。【解決手段】  強誘電体１７を少なくとも２対の電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる圧電型超音波センサ素子である。圧電型超音波センサ素子は、強誘電体１７の一方の側に設けられた共通電極１６と、強誘電体の他方の側であって強誘電体１７の略中央部に設けられた内側電極１８と、強誘電体１７の他方の側であって内側電極１８よりも外側に設けられた外側電極１９とを備えて構成される。ここで、超音波を検出するときに内側電極１８と外側電極１９との間で出力電圧を検出する。また、超音波を検出するときに、共通電極１６に対する内側電極１８における出力電圧の符号と、共通電極１６に対する外側電極１９における出力電圧の符号とが互いに異なるような位置に外側電極１９を設ける。【選択図】図１
2005039720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体を少なくとも２対の電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる圧電型超音波センサ素子であって、
上記圧電体の一方の側に設けられた第１の電極と、
上記圧電体の他方の側であって上記圧電体の略中央部に設けられた第２の電極と、
上記圧電体の他方の側であって上記第２の電極よりも外側に設けられた第３の電極とを備え、
超音波を検出するときに上記第２の電極と上記第３の電極との間で出力電圧を検出することを特徴とする圧電型超音波センサ素子。
【請求項２】
超音波を検出するときに、上記第１の電極に対する上記第２の電極における出力電圧の符号と、上記第１の電極に対する上記第３の電極における出力電圧の符号とが互いに異なるような位置に、上記第３の電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の圧電型超音波センサ素子。
【請求項３】
上記第２の電極と上記第３の電極を、超音波を検出するときに上記出力電圧が実質的に最大値となるように配置したことを特徴とする請求項２記載の圧電型超音波センサ素子。
【請求項４】
超音波を検出するときに、上記第１の電極に対する上記第２の電極における出力電圧が第１の符号でその絶対値が実質的に最大値となり、上記第１の電極に対する上記第３の電極における出力電圧が上記第１の符号とは異なる第２の符号でその絶対値が実質的に最大値となるような位置に、上記第３の電極を設けたことを特徴とする請求項３記載の圧電型超音波センサ素子。
【請求項５】
上記第３の電極は、互いに電気的に接続された複数の電極を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の圧電型超音波センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサにてなる圧電型超音波センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、車両制御、距離測定及び障害者補助等のアプリケーションの観点から、超音波を使用する三次元のイメージング（画像化）技術が大きな注目を集めている。特に、シリコンダイアフラム上の圧電型超音波センサ素子には、製造プロセスが単純で半導体デバイスへの統合が容易であるという利点がある（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
本発明者らは、シリコンダイアフラム上の圧電型ＰＺＴセラミックス薄膜を使用して、高感度の圧電型超音波マイクロセンサ素子を発明している（例えば、非特許文献２参照。）。初期のセンサ製造プロセスでは、中心部での分極変化は振動するダイアフラム上の周辺部のそれとは常に反対の方向を有することから、上部電極はダイアフラムの中心部にのみ形成していた（例えば、非特許文献３及び４参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】T. Fabula et al., "Analytical and finite element modeling of resonant silicon microsensors", Sensors and Materials, Vol. 9, No. 8, pp.501-519, 1997.
【非特許文献２】K. Yamashita et al., "Arrayed ultrasonic microsensors with high directivity for in-air use using PZT thin film on silicon diaphragms, Sensors and Actuators A, Vol.97-98., pp.302-307, 2002.
【非特許文献３】K. Yamashita et al., "Ultrasonic Array Sensor Using Piezoelectric Film on Silicon Diaphragm and Its Resonant-Frequency Tuning, Transducer '03, Vol.1, No.5, pp.939-942, 2003.
【非特許文献４】J. T. Bernstein et al., "Micromachined High Frequency Ferroelectric Sonar Transducers", IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectric Frequency Counter, Vol.44, pp.960-969, 1996.
【非特許文献５】シー・エル・ディムほか著，砂川恵監訳，「材料力学と変分法」，ブレイン図書出版，ｐｐ．２８３−２８４，１９７７年。
【非特許文献６】平修二監修，「現代材料力学」，オーム社，ｐｐ．５，４９，６３−６４，２２３，１９９２年。
【非特許文献７】富川義朗編著，「超音波エレクトロニクス振動論基礎と応用」，朝倉書店，ｐｐ．８０８５，１９９８年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術の圧電型超音波センサ素子では、その感度は比較的低く、また、出力電圧において外来ノイズの影響を受けやすいという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して感度を増大させ、かつ外来ノイズの影響を受けにくい圧電型超音波センサ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧電型超音波センサ素子は、圧電体を少なくとも２対の電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる圧電型超音波センサ素子であって、
上記圧電体の一方の側に設けられた第１の電極と、
上記圧電体の他方の側であって上記圧電体の略中央部に設けられた第２の電極と、
上記圧電体の他方の側であって上記第２の電極よりも外側に設けられた第３の電極とを備え、
超音波を検出するときに上記第２の電極と上記第３の電極との間で出力電圧を検出することを特徴とする。
【０００８】
上記圧電型超音波センサ素子において、超音波を検出するときに、上記第１の電極に対する上記第２の電極における出力電圧の符号と、上記第１の電極に対する上記第３の電極における出力電圧の符号とが互いに異なるような位置に、上記第３の電極を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、上記圧電型超音波センサ素子において、上記第２の電極と上記第３の電極を、超音波を検出するときに上記出力電圧が実質的に最大値となるように配置したことを特徴とする。
【００１０】
さらに、上記圧電型超音波センサ素子において、超音波を検出するときに、上記第１の電極に対する上記第２の電極における出力電圧が第１の符号でその絶対値が実質的に最大値となり、上記第１の電極に対する上記第３の電極における出力電圧が上記第１の符号とは異なる第２の符号でその絶対値が実質的に最大値となるような位置に、上記第３の電極を設けたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記第３の電極は、互いに電気的に接続された複数の電極を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
従って、本発明によれば、互いに異なる符号を有する２つの電圧を加算するように出力電圧を得ることができるので、従来技術に比較して感度を増大させ、かつ外来ノイズの影響を受けにくい圧電型超音波センサ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る一実施形態である圧電型超音波センサ素子の構成を示す縦断面図であり、図２は図１の内側電極１８及び外側電極１９並びにそれらに接続された回路の平面図である。本実施形態においては、１辺の長さＬの正方形ダイアフラム１００の強誘電体であり圧電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７をその上部の内側電極１８及び外側電極１９と、その下部の共通電極１６で挟設して構成され、反対の符号を有する２つの分極を効果的に使用して当該センサ素子の感度を強化することのできる圧電型超音波センサ素子を提案している。ここで、共通電極１６を介して上部の２つの電極１８，１９を直列に接続することにより、２つの分極によって導入される信号が加算されて当該圧電型超音波センサ素子の出力電圧を増大させることを特徴としている。
【００１５】
本実施形態に係る圧電型超音波センサ素子２０は、図１に示すように、強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７を、１対の内側電極１８及び共通電極１６と、１対の外側電極１９及び共通電極１６とで挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサで構成されている。また、図２に示すように、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の上表面の略中央部に、長さＬａの矩形形状の内側電極１８が形成され、その外側周辺部に内側電極１８から離間して内側電極１８を取り囲むように、全体の形状が略矩形形状である幅Ｌｂの外側電極１９が形成される。内側電極１８は接続導体３１を介して端子Ｔ１に接続され、外側電極１９は接続導体３２を介して端子Ｔ２に接続される。
【００１６】
ここで、内側電極１８と外側電極１９とは、詳細後述するように、超音波を検出したときに、共通電極１６に対する内側電極１８における出力電圧の符号と、共通電極１６に対する外側電極１９における出力電圧の符号とが互いに異なるような位置に、外側電極１９を形成する。より好ましくは、超音波を検出したときに、共通電極１６に対する内側電極１８における出力電圧が第１の符号（例えばプラス）でその絶対値が実質的に最大値となり、共通電極１６に対する外側電極１９における出力電圧が上記第１の符号とは異なる第２の符号（例えばマイナス）でその絶対値が実質的に最大値となるような位置に、外側電極１９を形成する。
【００１７】
まず、本実施形態において用いる、超音波センサ素子２０の構造及び製造方法について以下に説明する。超音波センサ素子２０の感音部の薄板構造としては、ダイアフラム（四辺固定）、ブリッジ（二辺固定）又はカンチレバー（一辺固定）の形状が一般によく用いられるが、本実施形態では、正方形ダイアフラム１００を用いる。また、圧電層としてスピンコートによるゾル・ゲル製膜法を用いる。このゾル・ゲル製膜法は、複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により粘度調整した前駆体溶液を，スピンコートによって製膜し（ゲル膜）、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのことである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完了した後である。上記ゾル・ゲル製膜法で用いるＰＺＴゾル・ゲル前駆体溶液の組成を次に示す。
【００１８】
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＰＺＴゾル・ゲル前駆体溶液の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
溶媒      ２−メトキシエタノール
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ｐｂ成分    酢酸鉛３水和物
Ｚｒ成分    Ｚｒノルマルブトキシド
Ｔｉ成分    Ｔｉイソプロポキシド
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＰＺＴ組成  Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：５２：４８
濃度        Ｐｂ１．１５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３．１５として１５％ｗｔ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００１９】
（ａ）出発基板として市販のＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造を有する半導体チップウエハ１０（活性層２μｍ，酸化膜層１μｍ）を用いる。４インチ基板１枚を２インチ相当の八角形２枚にダイシングして用いる。２インチ相当１ウェハ当たり４チップを配置している。
【００２０】
（ｂ）異方性エッチング時のマスク用及び下部電極である共通電極１６間の絶縁のためにウェハ両面を熱酸化する。炉内温度１，１４０゜Ｃにて、最初Ｏ２を５．０リットル／分のみで５分間ドライ酸化した後、Ｏ２（５．０リットル／分）＋Ｈ２（４．５リットル／分）で１８０分ウェット酸化する。酸化絶縁層１７の厚さは約１μｍで、ＥＰＷ（Ethylenediamine Pyrocatechol Water；エチレンジアミン（強アルカリ性の液体））及びＴＭＡＨ（Tetramethylammonium Hydroxide；テマ（有機アルカリ系の現像液）による異方性エッチングに十分耐える厚さである。
【００２１】
（ｃ）異方性エッチング用の窓として裏面の酸化膜をＢＨＦ（Buffered Hydro-Fluoric acid；緩衝弗酸（弱酸性の液体）、すなわち、弗酸と弗化アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッチングするために用いる。）のエッチング液でエッチングする。
【００２２】
（ｄ）ＥＰＷにより支持層のシリコンを異方性エッチングする。温度をほぼ１１５゜Ｃに保ち、約５〜６１時間エッチングを行ない、支持層の厚さを５０〜１００μｍとする。これはこの後の工程（ｇ）での超音波洗浄に十分耐える厚さである。
【００２３】
（ｅ）下部電極である共通電極１６としてＰｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜する。Ａｒガス流量４４ｓｃｃｍ，１Ｐａ雰囲気において、まず、Ｔｉを５００Ｗで１分、次にＰｔを２００Ｗで１０分スパッタすることにより、それぞれ膜厚０．０２μｍ及び０．２μｍを得る。フォトレジストを用いたリフトオフによりパターニングするため製膜時に加熱することはできないが、作製した膜を線回折装置（ＸＲＤ（X-Ray Diffractometer））により評価すると、Ｐｔ（１１１）単一配向でＰＺＴセラミックス薄膜の共通電極１６として十分良質の薄膜が形成されることを確認している。またリフトオフパターンは、電極パターンが裏面のエッチングホールによるダイアフラム形状と正確に重なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせを行なう。
【００２４】
（ｆ）ゾル・ゲル製膜法により圧電層としてＰＺＴセラミックス薄膜層１７を製膜する。圧電層製膜後下部電極のコンタクトホールとしてＰＺＴを弗硝酸（ＨＦ：ＨＮＯ３：Ｈ２Ｏ＝１：１：１）でエッチングする。１μｍの厚さのＰＺＴセラミックスをエッチングするのに要する時間は１０〜３０秒で、この際のサイドエッチング量は５〜１０μｍである。
【００２５】
（ｇ）上部電極である内側電極１８及び外側電極１９としてＰｔをＲＦスパッタ装置により製膜し、リフトオフによりパターニングする。製膜条件は工程（ｅ）と同じで膜厚０．２μｍである。
【００２６】
（ｈ）異方性エッチングにより正方形ダイアフラム構造を形成する。エッチングレートが若干ばらつくが、ＳＯＩ構造のＩ層でエッチングはほぼ停止するので、最もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッチングを行なうことにより正方形ダイアフラム構造を完成した。また、ゾル・ゲル製膜法によるＰＺＴセラミックス薄膜層１７は９０分程度のＥＰＷ煮沸では電気特性にほとんど劣化が無いことを確認しているので、エッチング中に表面を保護する必要は無い。
【００２７】
（ｉ）ＳＯＩ構造のＩ層は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であるが，最終的な構造としては内部応力の原因となり得るので，異方性エッチング終了後除去する必要がある。通常の熱酸化膜であるので，ＢＨＦによりエッチングすることで除去する．以上のプロセスでセンサを作製した後、八角形の２インチ相当ウェハをダイシングして４チップを分離し、パッケージに固定し各電極をボンディングしてセンサチップを完成する。
【００２８】
以上のプロセスで超音波センサ素子２０を作製した後、八角形の２インチ相当ウウエハ１０をダイシングし４チップを分離して、パッケージに固定し、各電極１８，１９に接続された接続導体３１，３２に対してボンディングによりそれぞれ各引き出し導線を接続した後、それぞれの各引き出し導線を端子Ｔ１，Ｔ２（図２参照。）に接続し、ボンディングしてセンサチップを完成する。
【００２９】
次いで、本実施形態に係る圧電型超音波センサ素子における圧電応答の解析とその結果について以下に説明する。まず、非特許文献２において開示されたような、１対の電極からなる従来技術の圧電型超音波センサ素子における圧電応答の解析とその結果について説明する。
【００３０】
まず、振動する正方形ダイアフラム１００における歪みを解析する。正方形ダイアフラム１００が等圧力で変形されるとき、その変形量ｕ（ｘ，ｙ）は、次式で表される（非特許文献５参照。）。
【００３１】
【数１】
2005039720.tif 000003
【００３２】
ここで、Ｌは正方形ダイアフラム１００の１辺の長さであり、ｘ及びｙはダイアフラムの中心からの位置である。図３は圧電型超音波センサ素子の正方形ダイアフラム１００を示し、図４は７００×７００μｍ２の正方形ダイアフラム１００の計算上の変形量を示している。ｘ方向及びｙ方向における平面歪みはこの変形量の二次微分から導出され、次式で表される（非特許文献６参照。）。
【００３３】
【数２】
2005039720.tif 000004
【００３４】
【数３】
2005039720.tif 000005
【００３５】
次いで、圧電材料の電気的応答と機械的応答との関係を考慮すれば、ｚ方向の歪みによって導入される圧電分極変化量を次式のように求めることができる（非特許文献７参照。）。
【００３６】
【数４】
2005039720.tif 000006
【００３７】
ここで、ｅ３１及びｅ３２は圧電歪み係数である。また、正方形ダイアフラム１００が極めて薄い場合、ｚ方向の歪みは無視することができる。多結晶ＰＺＴセラミックス薄膜ではｅ３１とｅ３２とは等しいことから、上記数４は次式のように書き直すことができる。
【００３８】
【数５】
2005039720.tif 000007
【００３９】
図４は、上記数５を用いて計算された、７００×７００μｍ２の振動する正方形ダイアフラム１００上のＰＺＴセラミックス薄膜内に生成される分極変化の分布を示している。正方形ダイアフラム１００の中心部及び周辺部の分極変化は、反対の符号を有している。上部電極が正方形ダイアフラム１００の全体部分をカバーしていれば、分極変化量の相反する符号は補償され、全体の出力電圧の信号は減少される。従って、信号の損失を回避するために、圧電型超音波センサ素子の上部電極は、何れか他方を超過しない部分上に配置する必要がある。分極変化量がその符号を変える位置は、正方形ダイアフラム１００の縁端部から内側約１５０μｍであることが発見されている。従って、７００×７００μｍ２の正方形ダイアフラム１００の場合、適正な上部電極は、図２が示すように正方形ダイアフラム１００の中央部上の４００×４００μｍ２である。
【００４０】
次いで、本実施形態に係る分極相補型電極を有する圧電型超音波センサ素子の圧電応答の解析とその結果について以下に説明する。
【００４１】
圧電型超音波センサ素子の出力電圧を向上させる１つの方法は、正方形ダイアフラム１００の中央部及び周辺部の双方で分極変化を使用することである。従って、図２が示すように、正方形ダイアフラム１００の中央部にある上部電極である内側電極１８の周囲にもう１つの上部電極である外側電極１９が形成されている。「分極相補型電極」と呼ばれるこの新たな構造の電極は、両方の部分に生成される分極変化量を利用することができる。ここで、分極変化量は、内側電極１８と外側電極１９では反対の符号を有するため、図６に示すように、共通電極１６をそれぞれ挟設する、共通電極１６と内側電極１８との電極対と、共通電極１６と外側電極１９との電極対とにそれぞれ構成される２個のキャパシタ４１，４２を直列に接続することによって、各キャパシタ４１，４２で発生する出力電圧を加算することが可能であり、圧電型超音波センサ素子のより大きい出力電圧の取得が可能である。
【００４２】
ここで、内側電極１８の面積をＡとし、外側のｃ字形状の外側電極１９の面積をＢとするとき、各キャパシタ４１，４２における分極変化量をそれぞれΔＰＡ及びΔＰＢとすると、当該圧電型超音波センサ素子の端子Ｔ１と端子Ｔ２からの出力電圧は次式で表される。
【００４３】
【数６】
2005039720.tif 000008
【００４４】
ここで、ＣＡ及びＣＢはそれぞれキャパシタ４１，４２の静電容量であり、ＣＰＡ及びＣＰＢはそれぞれ接続導体３１，３２のライン及びボンディングパッドの寄生容量である。
【００４５】
分極変化量ΔＰＡ及びΔＰＢは、上記数２、数３及び数５を用いて計算することができる。上記数６で表された出力電圧は、寄生容量ＣＰＡ，ＣＰＢの測定値、並びに、各キャパシタ４１，４２の静電容量ＣＡ，ＣＢの測定値を用いて計算することができ、図７はその計算結果を示している。図７において、実際の構造での長さＬａ及び幅Ｌｂは、太線で囲まれたＬａ＋２Ｌｂ＜７００μｍの三角形の範囲に限定される。出力電圧の輪郭線は三角形に描かれている。最適点は、（Ｌａ，Ｌｂ）＝（４００，１１０）［μｍ］である。すなわち、出力電圧の最大値は、内側電極１８の長さＬａ＝４００μｍ、外側電極のサイズＬｂ＝１１０μｍで得られる。計算上の合計出力電圧は、内側電極１８のみの出力電圧に比べて約１．５７倍である。
【００４６】
本実施形態において、寄生容量と電極面積について考察する。各キャパシタ４１，４２で発生する電圧はＶ＝Ｑ／Ｃで表すことができる。静電容量Ｃは電極面積に比例するが、分極が場所により分布を持つため電荷量は電極面積に比例せず、同じ面積でも場所により異なる値となる。よって電極面積を変えたときに最も高い電圧を得るためには、最も大きな分極値の点を含む領域でできるだけ電極面積を小さくした方が良い。よって極限では、最大分極値を持つ一点に面積ゼロの電極を設置したときが最も出力電圧が大きくなる。実際には、センサ構造中には、図８に示すように、配線やボンディングパッドの部分が寄生容量ＣＰとして作用するので、これを考慮した並列モデルで計算しなければならない。上記の計算ではこの寄生容量値として実際のセンサでの実測値を用いて計算している。
【００４７】
次いで、ノイズキャンセル効果について考察する。センサの電極部分がアンテナとして作用し外部からの電磁ノイズを受けることを考える。場所によるノイズの大きさが、センサ素子のサイズ程度ではほとんど変わらないとすれば、外側電極１９と内側電極１８が受けるノイズの大きさはほぼ同じと考えて良い。このセンサ構造では、図９に示すように、出力電圧信号として外側電極１９の出力電圧ｖｎＢと、内側電極１８の出力電圧ｖｎＡを符号反転して加算しているため、これらほぼ同じ大きさの外来ノイズは互いにキャンセルして出力に現れないことになる。本実施形態では、圧電型超音波センサ素子で超音波を検出したときに、これら２つの電圧ｖｎＢ，ｖｎＡの和が実質的に最大値となるように内側電極１８と外側電極１９を形成して配置することが好ましく、好ましくは、各電圧ｖｎＢ，ｖｎＡがそれぞれ実質的に最大値となるように最大値となるように内側電極１８と外側電極１９を形成して配置する。
【００４８】
次いで、内側電極１８と外側電極１９の電極形状についての好ましい実施例を以下に示す。
【実施例１】
【００４９】
図１０は図１の正方形ダイアフラム１００上の分極分布を示すグラフであり、図１１は本発明に係る実施例１である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、それぞれＬｂ×Ｌｃの矩形形状を有する４個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄとの構成を示す平面図である。図１０において、正方形ダイアフラム１００の中央部において正の分極変化量の領域２０１が存在する一方、その領域２０１からそれを中心として互いに約９０度だけ離間した４方向における正方形ダイアフラム１００の縁端部において負の分極変化量の領域２１１，２１２，２１３，２１４が存在する。上述のごとく、分極変換量の符号を利用して出力電圧を増大させるために、本実施例１では、図１１に示すように、領域２０１を中心として矩形形状の内側電極１８を形成し、各領域２１１乃至２１４を中心としてそれぞれ外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄを形成し、これら４個の外側電極１９Ａ乃至１９Ｄを接続導体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて互いに電気的に接続している。
【実施例２】
【００５０】
図１２は本発明に係る実施例２である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、１個の外側電極１９Ａとの構成を示す平面図である。本実施例２では、図１２に示すように、領域２０１を中心として矩形形状の内側電極１８を形成し、領域２１３のみに外側電極１９Ｃを形成している。
【実施例３】
【００５１】
図１３は本発明に係る実施例３である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、２個の外側電極１９Ａ，１９Ｂとの構成を示す平面図である。本実施例３では、図１３に示すように、領域２０１を中心として矩形形状の内側電極１８を形成し、各領域２１１，２１３を中心としてそれぞれ外側電極１９Ａ，１９Ｃを形成し、これら２個の外側電極１９Ａ、１９Ｃを互いに電気的に接続している（図１３では図示せず。）。
【実施例４】
【００５２】
図１４は本発明に係る実施例４である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、３個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃとの構成を示す平面図である。本実施例４では、図１４に示すように、領域２０１を中心として矩形形状の内側電極１８を形成し、各領域２１２，２１３，２１４を中心としてそれぞれ外側電極１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄを形成し、これら３個の外側電極１９Ｂ乃至１９Ｄを互いに電気的に接続している（図１４では図示せず。）。
【実施例５】
【００５３】
図１５は本発明に係る実施例５である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、４個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄとの構成を示す平面図である。本実施例１では、図１５に示すように、領域２０１を中心として矩形形状の内側電極１８を形成し、各領域２１１乃至２１４を中心としてそれぞれ外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄを形成し、これら４個の外側電極１９Ａ乃至１９Ｄを互いに電気的に接続している。
【００５４】
以上の実施形態や実施例、変形例において、矩形形状の内側電極１８及び外側電極１９を形成しているが、その形状は矩形形状に限定されず、円形、楕円形、その他の形状であってもよい。
【実施例６】
【００５５】
図１６は、図１の圧電型超音波センサ素子の実験結果であって、実施例６に係るパルス超音波に対する当該超音波アレイセンサ装置の出力電圧の時間応答波形を示す波形図であり、図１７は図１６の拡大波形図である。実施例６では、火花放電で超音波パルスを発生させ、送信機から離隔配置されたセンサへ直接送り、増幅器を介して圧電型超音波センサ素子に接続されたオシロスコープを使用して、圧電型超音波センサ素子の出力電圧の応答波形を観測した。
【００５６】
図１６から明らかなように、各電極１８，１９からの出力電圧信号は、明らかに反対極性を有している。この極性の相違は、間違いなく対向する分極の効果である。また、図１７から明らかなように、相補型電極構造（各電極１８，１９を直列接続時）を有する圧電型超音波センサ素子の出力電圧信号は、内側電極１８と共通電極１６のみの１対の従来構造を有する圧電型超音波センサ素子の場合の約５０％増しであった。この値は、上述の理論式を用いて算出された５７％にほぼ一致する。
【００５７】
以上説明したように、シリコンの正方形ダイアフラム１００上の圧電ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を使用して圧電型超音波センサ素子を製造し、互いに符号が異なる分極を有する領域を直列に接続する新しい電極構造を提案した。この電極構造を有する圧電型超音波センサ素子は、２つの領域における両分極の総和に起因する電圧を発生させることができる。また、理論計算によって最適な電極サイズが発見されており、１．５７倍の出力電圧を得ることができる。さらに、最適な電極構造を有する圧電型超音波センサ素子センサを製造し、パルス超音波に対する応答を測定し、その圧電型超音波センサ素子の感度は、従来技術の圧電型超音波センサ素子に比べて約５０％までの向上が確認された。
【００５８】
以上の実施形態において、圧電型超音波センサ素子で用いる圧電体として、例えばＰＺＴセラミックス薄膜層１７である強誘電体を用いているが、本発明はこれに限らず、例えばＺｎＯやＡｌＮなどの強誘電体ではない圧電体であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上詳述したように、本発明によれば、互いに異なる符号を有する２つの電圧を加算するように出力電圧を得ることができるので、従来技術に比較して感度を増大させ、かつ外来ノイズの影響を受けにくい圧電型超音波センサ素子を提供することができる。例えば、当該圧電型超音波センサ素子を複数個アレイ形状で並置することにより、三次元のイメージングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る一実施形態である圧電型超音波センサ素子の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の内側電極１８及び外側電極１９並びにそれらに接続された回路の平面図である。
【図３】図１の圧電型超音波センサ素子の正方形ダイアフラム１００の構造を示す斜視図である。
【図４】図３の正方形ダイアフラム１００が振動したときの面内応力の偏差分布を示す３次元グラフである。
【図５】図３の正方形ダイアフラム１００が振動したときの面内応力（分極変化量）分布を示す３次元グラフである。
【図６】図１の内側電極１８及び外側電極１９と、接続導体３１，３２と、端子Ｔ１，Ｔ２とを含む等価電気回路を示す回路図である。
【図７】図２の内側電極１８の長さＬａと、外側電極１９の幅Ｌｂを変化したときの出力電圧を計算した結果を示す３次元のグラフである。
【図８】図１の内側電極１８及び外側電極１９と、接続導体３１，３２と、端子Ｔ１，Ｔ２とを含む等価電気回路において、寄生容量ＣＰがあるときの等価電気回路を示す回路図である。
【図９】外来ノイズが存在すときの図６の等価電気回路を示す回路図である。
【図１０】図１の正方形ダイアフラム１００上の分極分布を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例１である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、４個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄとの構成を示す平面図である。
【図１２】本発明に係る実施例２である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、１個の外側電極１９Ａとの構成を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る実施例３である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、２個の外側電極１９Ａ，１９Ｂとの構成を示す平面図である。
【図１４】本発明に係る実施例４である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、３個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃとの構成を示す平面図である。
【図１５】本発明に係る実施例５である圧電型超音波センサ素子における、内側電極１８と、４個の外側電極１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ，１９Ｄとの構成を示す平面図である。
【図１６】図１の圧電型超音波センサ素子の実験結果であって、実施例６に係るパルス超音波に対する当該超音波アレイセンサ装置の出力電圧の時間応答波形を示す波形図である。
【図１７】図１６の拡大波形図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…半導体チップウエハ、
１１…半導体基板、
１２，１３，１５…絶縁膜層、
１４…半導体活性層、
１６…共通電極、
１７…ＰＺＴセラミックス薄膜層、
１８…内側電極、
１９…外側電極、
３１，３２…接続導体、
４１，４２…キャパシタ、
Ｔ１，Ｔ２…端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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