超聲波傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發明提供超聲波傳感器及其制造方法，能夠確保高可靠性。該超聲波傳感器具備：沿著XY平面的基板(10)；多個空間(12)，其沿X軸方向以及Y軸方向中的至少一個方向形成于基板；振動板(50)，其以封閉空間的方式設置于基板上，并具有靠基板側的第1面(50a)以及與該第1面對置的第2面(50b)；壓電元件(300)，其設置于振動板的第2面側中的與空間對應的部分，發送以及/或者接收超聲波；以及包圍板(40)，其設置于振動板的第2面側，并包圍壓電元件的周圍的區域，在包圍板的靠壓電元件側的面(40b)與振動板的第2面之間，并且在不與壓電元件重疊的位置設置有支承部件(41)。
【專利說明】
超聲波傳感器及其制造方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及超聲波傳感器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]以往，存在具備發送以及/或者接收超聲波的壓電元件、設置有壓電元件的振動板、以及傳遞超聲波的聲音調整層的超聲波傳感器。例如，存在具備電氣設備轉換元件(壓電元件)、可動膜(振動板)、以及設置于可動膜的與電氣設備轉換元件相反的一側的開口部(空間)的傳聲部件(聲音調整層)的超聲波傳感器(參照專利文獻I以及2)。
[0003]專利文獻I以及2的超聲波傳感器均為振動板的與壓電元件相反的一側成為超聲波的通過區域的類型(所謂CAV面型)。而且，在專利文獻I以及2中提出了均在振動板的靠壓電元件側設置有密封壓電元件的密封部件的方案。在密封部件的中央形成有凹部，利用該凹部覆蓋壓電元件的周圍的區域。
[0004]專利文獻1:日本特開2011 — 255024號公報(權利要求1、權利要求2、
[0054]段等)
[0005]專利文獻2:日本特開2011 — 259274號公報(
[0051]段、
[0053]段、圖6等)
[0006]然而，在專利文獻I以及2中，在設置有密封部件的情況下，存在難以確保高可靠性的問題。即，在集合配置有多個壓電元件的情況下，形成于密封部件的凹部的開口面積增大。在該情況下，若從聲音調整層側向振動板施加規定的壓力，則振動板在密封部件的凹部內大幅度撓曲，其結果是，存在產生結構形變而可靠性降低的擔憂。因情況，還有在各部產生裂縫的擔憂。這種問題并不限于專利文獻I以及2的超聲波傳感器，只要是CAV面型超聲波傳感器便同樣存在。
【發明內容】
[0007]本發明鑒于這種情況而完成，其目的在于提供能夠確保高可靠性的超聲波傳感器及其制造方法。
[0008]解決上述課題的本發明的方式為一種超聲波傳感器，其特征在于，在將相互正交的兩個軸設為X軸以及Y軸，將由上述X軸以及Y軸形成的平面設為XY平面時，該超聲波傳感器具備:沿著上述XY平面的基板;多個空間，上述多個空間沿上述X軸方向以及上述Y軸方向中的至少一個方向形成于上述基板;振動板，其以封閉上述空間的方式設置于上述基板上，并具有靠上述基板側的第I面以及與該第I面對置的第2面;多個壓電元件，上述多個壓電元件設置于上述振動板的上述第2面側中與空間對應的部分，發送以及/或者接收超聲波；以及包圍板，其設置于上述振動板的上述第2面側，并包圍多個上述壓電元件的周圍的區域，在上述包圍板的靠上述壓電元件側的面與上述振動板的上述第2面之間，并且在不與上述壓電元件重疊的位置設置有支承部件。
[0009]根據上述方式，能夠利用上述的支承部件支承振動板。因此，例如，在安裝透鏡部件時、安裝透鏡部件后確保該透鏡部件的緊貼性時，即便從聲音調整層側向振動板施加了規定的壓力，也防止振動板在包圍板的凹部內大幅度撓曲的情況。因此，能夠抑制產生結構形變的情況，從而能夠確保高可靠性。
[0010]應予說明，根據上述方式，在不與壓電元件重疊的位置設置有支承部件。因此，避免壓電元件被支承部件過度約束的情況。因此，與未設置有支承部件的情況相比，還防止超聲波的發送效率、接收效率過度降低的情況。
[0011]此處，優選，上述支承部件具有沿上述X軸方向或者上述Y軸方向中的一個方向延伸的梁形狀。根據上述方式，能夠在遍及X軸方向或者上述Y軸方向的大范圍內利用上述的支承部件支承振動板。因此，能夠確保更高可靠性。
[0012]另外，優選，上述支承部件沿上述X軸方向或者上述Y軸方向中的與上述一個方向相交的另一個方向并列設置。根據上述方式，能夠在遍及X軸方向以及上述Y軸方向的大范圍內利用上述支承部件支承振動板。因此，能夠確保更高可靠性。
[0013]另外，優選，在將與上述X軸以及Y軸均正交的軸設為Z軸時，上述支承部件具有僅在上述Z軸方向與上述包圍板接觸的柱形狀。根據上述方式，能夠對準特定的位置利用上述支承部件支承振動板。因此，能夠可靠地確保高可靠性。
[0014]另外，優選，上述支承部件沿上述X軸方向或者上述Y軸方向中的至少一個方向并列設置。根據上述方式，能夠對準特定的位置并在大范圍內利用上述支承部件支承振動板。因此，能夠可靠地確保高可靠性。
[0015]另外，優選，上述壓電元件構成為包括:形成于上述基板上的第I電極、形成于上述第I電極上的壓電體層、以及形成于上述壓電體層上的第2電極，上述第I電極以及上述第2電極的任一方為能夠按照每一列或者每多列進行驅動的獨立電極，另一方為共用電極，以與上述第I電極以及第2電極的至少任一方重疊的方式，以及/或者以與上述第2電極連續的方式設置有旁路電極。根據上述方式，通過設置旁路電極，能夠將第2電極的阻抗的增大平均化。在該情況下，成為能夠確保高可靠性，并且還能夠實現超聲波的發送效率、接收效率的提尚的超聲波傳感器。
[0016]另外，優選，上述旁路電極以除去包圍板以及上述支承部件與上述振動板的接合區域的方式設置為條紋狀。根據上述方式，容易將包圍板與超聲波傳感器元件側接合。另夕卜，包圍板以及支承部件與超聲波傳感器元件的緊貼性不存在因旁路電極而受到負面影響的擔憂。因此，能夠確保高可靠性。
[0017]解決上述課題的本發明的其他方式是一種超聲波傳感器的制造方法，在將相互正交的兩個軸設為X軸以及Y軸，將由上述X軸以及Y軸形成的平面設為XY平面時，該超聲波傳感器具備:沿著上述XY平面的基板;多個空間，上述多個空間沿上述X軸方向以及上述Y軸方向中的至少一個方向形成于上述基板;振動板，其以封閉上述空間的方式設置于上述基板上，并具有靠上述基板側的第I面以及與該第I面對置的第2面;多個壓電元件，上述多個壓電元件設置于上述振動板的上述第2面側中的與空間對應的部分，發送以及/或者接收超聲波；以及包圍板，其設置于上述振動板的上述第2面側，并包圍多個上述壓電元件的周圍的區域，在上述超聲波傳感器的制造方法中，在上述包圍板的上述壓電元件側的面與上述振動板的上述第2面之間，并且在不與上述壓電元件重疊的位置設置支承部件。根據上述方式，能夠抑制產生結構形變，從而能夠制造能夠確保高可靠性的超聲波傳感器。
[0018]另外，優選，通過濕式蝕刻制作具有沿上述X軸方向或者上述Y軸方向中的一個方向延伸的梁形狀的上述支承部件。根據上述方式，能夠容易制造能夠在大范圍內支承振動板的超聲波傳感器。
[0019]另外，優選，在將與上述X軸以及Y軸均正交的軸設為Z軸時，通過干式蝕刻制作具有僅在上述Z軸方向與上述包圍板接觸的柱形狀的上述支承部件。根據上述方式，能夠容易制造能對準特定的位置支承振動板的超聲波傳感器。
【附圖說明】
[0020]圖1是表示超聲波設備的構成例的剖視圖。
[0021 ]圖2是表示超聲波傳感器的構成例的分解立體圖。
[0022]圖3是表示超聲波傳感器的構成例的俯視圖。
[0023]圖4是表示超聲波傳感器的構成例的剖視圖。
[0024]圖5是表示超聲波傳感器的制造例(包圍板側)的圖。
[0025]圖6是表示超聲波傳感器的制造例(包圍板側)的圖。
[0026]圖7是表示超聲波傳感器的制造例(超聲波傳感器元件側)的圖。
[0027]圖8是表示超聲波傳感器的制造例(超聲波傳感器元件側)的圖。
[0028]圖9是表示超聲波傳感器的制造例(超聲波傳感器元件側)的圖。
[0029]圖10是表示超聲波傳感器的構成例的俯視圖以及剖視圖。
[0030]圖11是表示超聲波傳感器的構成例的俯視圖。
[0031 ]圖12是表示超聲波傳感器的構成例的剖視圖。
[0032]圖13是表示超聲波傳感器的制造例(包圍板側)的圖。
[0033]圖14是表示超聲波傳感器的制造例(包圍板側)的圖。
[0034]圖15是表示超聲波傳感器的構成例的俯視圖。
[0035]圖16是表示超聲波傳感器的構成例的俯視圖。
[0036]圖17是表示超聲波傳感器的構成例的剖視圖。
[0037]圖18是表示超聲波傳感器的構成例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0038]以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。以下的說明表示本發明的一個方式，并在本發明的范圍內能夠任意變更。在各圖中，標注了相同的附圖標記的部件表示相同的部件，并適當地省略說明。
[0039](實施方式I)
[0040](超聲波設備)
[0041]圖1是表示搭載有超聲波傳感器的超聲波設備的構成例的剖視圖。如圖所示，超聲波探頭I構成為具備:CAV面型超聲波傳感器I;與超聲波傳感器I連接的撓性印刷電路基板(FPC基板2);從裝置終端(未圖示)拉出的電纜3;中繼FPC基板2以及電纜3的中繼基板4;對超聲波傳感器1、FPC基板2以及中繼基板4進行保護的殼體5;被填充于殼體5以及超聲波傳感器I之間的防水性樹脂6等。
[0042]從超聲波傳感器I發送超聲波。另外，利用超聲波傳感器I接收從測定對象物反射的超聲波。基于上述超聲波的波形信號，在超聲波探頭I的裝置終端中檢測有關測定對象物的信息(位置、形狀等)。
[0043]根據超聲波傳感器I，如后所述，能夠抑制產生結構形變的情況，從而能夠確保高可靠性。因此，通過搭載超聲波傳感器I，而成為各種特性優秀的超聲波設備。本發明還能夠應用于最適于發送超聲波的發送專用型、最適于接收超聲波的接收專用型、以及最適于發送以及接收超聲波的發送接收一體型等任意的超聲波傳感器。能夠搭載超聲波傳感器I的超聲波設備并不限定于超聲波探頭I。
[0044](超聲波傳感器)
[0045]接下來，對超聲波傳感器I的構成例進行說明。圖2是超聲波傳感器的分解立體圖。圖3是超聲波傳感器的基板的俯視圖。圖4的(a)是圖3的A—A’線剖視圖。圖4的(b)是圖3的B—B’線#1』視圖。
[0046]在超聲波傳感器的基板沿著由X軸以及Y軸形成的XY平面時，圖4的(a)的切剖面沿著由X軸以及Z軸形成的XZ平面，圖4的(b)的切剖面沿著由Y軸以及Z軸形成的YZ平面。以下，將X軸稱為第I方向X，將Y軸稱為第2方向Y，將Z軸稱為第3方向Z。
[0047]超聲波傳感器I構成為包括:超聲波傳感器元件310、聲音調整層13、透鏡部件20、以及包圍板40。超聲波傳感器元件310構成為包括:基板10、振動板50、以及壓電元件300。在圖2中將包圍板40與支承部件41表示為獨立，但實際上兩者構成為一體。
[0048]在基板10形成有多個隔壁11。利用多個隔壁11劃分多個空間12。基板10能夠使用Si單結晶基板。基板10并不限定于上述的例子，也可以使用SOI基板、玻璃基板等。
[0049]空間12以沿第3方向Z貫通基板10的方式形成。空間12二維狀地形成，S卩，沿第I方向X形成有多個并且沿第2方向Y形成有多個。在將第I方向X作為掃描方向，將第2方向Y作為切片方向(^ y Y X方向)時，超聲波傳感器I 一邊沿掃描方向進行掃描，一邊按照沿切片方向延伸的每列進行超聲波的發送和接收。由此，能夠沿掃描方向連續取得切片方向的傳感檢測信息。空間12在從第3方向Z觀察時為正方形(第I方向X與第2方向Y的長度之比為1:1)。
[0050]空間12的排列、形狀能夠進行各種變形。例如，空間12也可以一維狀地形成，即，沿第I方向X以及第2方向Y的任一方的方向形成有多個。另外，空間12也可以在從第3方向Z觀察時為長方形(第I方向X與第2方向Y的長度之比為1:1以外)。
[0051]振動板50以封閉空間12的方式設置于基板10上。以下，將振動板50的靠基板10側的面稱為第I面50a，將與該第I面50a對置的面稱為第2面50b。振動板50由形成于基板10上的彈性膜51、與形成于彈性膜51上的絕緣體層52構成。在該情況下，由彈性膜51構成第I面50a，由絕緣體層52構成第2面50b。
[0052]彈性膜51由二氧化硅(S12)等構成，絕緣體層52由氧化鋯(ZrO2)等構成。彈性膜51也可以不為與基板10不同的部件。也可以將基板10的一部分加工得較薄而使用其作為彈性膜。振動板50加上基板10的厚度約為50μπι，但并不限定于上述的值。振動板50加上基板10的厚度能夠考慮撓性、強度等而適當地選擇。
[0053]在振動板50的第2面50b側中與空間12對應的部分設置有發送以及/或者接收超聲波的壓電元件300。以下，將振動板50的第2面50b側中的與空間12對應的部分稱為可動部。可動部是通過壓電元件300的位移而產生振動的部分。與可動部所產生的振動對應，從超聲波傳感器I發送以及/或者接收超聲波。
[0054]壓電元件300構成為包括:厚度約為0.2μηι的第I電極60 ；厚度約為3.Ομπι以下，優選厚度約為0.5μπι?1.5μπι的壓電體層70 ；以及厚度約為0.05μπι的第2電極80。
[0055]以下，將由第I電極60與第2電極80夾住的部分稱為能動部。另外，在本實施方式中，通過壓電體層70的位移至少使振動板50以及第I電極60位移。即，在本實施方式中，至少振動板50以及第I電極60實際上具有作為振動板的功能。其中，也可以不設置彈性膜51以及絕緣體層52的任一方、或者雙方，而僅使第I電極60作為振動板發揮功能。在基板10上直接設置有第I電極60的情況下，優選利用絕緣性的保護膜等保護第I電極60。
[0056]雖未圖示，但也可以在壓電元件300與振動板50之間設置其他層。例如，也可以在壓電元件300與振動板50之間設置用于提高緊貼性的緊貼層。這種緊貼層例如由氧化鈦(T1x)層、鈦(Ti)層或者氮化硅(SiN)層等構成。
[0057]壓電元件300在從第3方向Z觀察時處于空間12的內側的區域。即，壓電元件300的第I方向X以及第2方向Y均比空間12短。其中，壓電元件300的第I方向X比空間12長的情況、壓電元件300的第2方向Y比空間12長的情況也屬于本發明。
[0058]在振動板50的第2面50b側設置有包圍板40。在包圍板40的中央形成有凹部(壓電元件保持部32)，該壓電元件保持部32的周圍形成為包圍板40的緣部40a(參照圖1等)。利用壓電元件保持部32覆蓋壓電元件300的周圍的區域(包括壓電元件300的上表面以及側面的區域)。因此，相當于壓電元件保持部32的底面的面成為包圍板40的靠壓電元件300側的面40b ο
[0059]包圍板40在緣部40a與超聲波傳感器元件310側接合。包圍板40的接合能夠使用粘合劑(未圖示)，但并不限定于上述的例子。壓電元件保持部32的深度、即第3方向的長度約為80μπι，但并不限定于上述的值。壓電元件保持部32的深度只要為確保不阻礙壓電元件300的驅動的程度的空間的值即可。另外，壓電元件保持部32可以由空氣充滿，也可以由樹脂充滿。包圍板40的厚度約為400μηι，但并不限定于上述的值。
[0060]在超聲波傳感器I，且在包圍板40的靠壓電元件300側的面40b與振動板50的第2面50b之間，并且，在不與壓電元件300重疊的位置設置有支承部件41。由此，能夠利用支承部件41支承振動板50。因此，例如，即便在安裝透鏡部件20時、安裝透鏡部件20后確保該透鏡部件20的緊貼性時，從聲音調整層13側向振動板50施加了規定的壓力，也防止振動板50在壓電元件保持部32內大幅度撓曲的情況。因此，能夠抑制產生結構形變的情況，從而能夠確保高可靠性。
[0061]支承部件41設置于不與壓電元件300重疊的位置。因此，避免壓電元件300被支承部件41過度約束的情況。因此，與未設置有支承部件41的情況相比，還防止超聲波的發送效率、接收效率過度降低的情況。
[0062]不與壓電元件300重疊的位置是在從第3方向Z觀察時不與上述的能動部(由第I電極60與第2電極80夾住的部分)重疊的位置。特別是，在超聲波傳感器I中，具有比隔壁11窄的寬度的支承部件41設置于相鄰的空間12之間。換句話說，在超聲波傳感器I中，在從第3方向Z觀察時，支承部件41甚至不與上述的可動部(振動板50的第2面50b側中的與空間12對應的部分)重疊。因此，與未設置有支承部件41的情況相比，可靠地防止超聲波的發送效率、接收效率過度降低的情況。支承部件41利用粘合劑(未圖示)與超聲波傳感器元件310側接合，但接合的方法并不限定于上述的例子。
[0063]支承部件41具有沿第2方向Y延伸的梁形狀。由此，能夠在遍及第2方向Y的大范圍內支承振動板50。梁形狀的支承部件41也可以不沿第2方向Y而沿第I方向X延伸。梁形狀的支承部件41的延伸的一方的端部也可以從包圍板40的緣部40a分離。只要延伸方向的至少一方的端部與包圍板40的緣部40a接觸，便屬于梁形狀的支承部件41。
[0064]梁形狀的支承部件41通過對包圍板40進行濕式蝕刻而制成。這樣，支承部件41通過有效利用包圍板40的構成材料而制成，具有與包圍板40相同的構成。濕式蝕刻與例如干式蝕刻相比，雖然加工精度差，但能夠在短時間內切削多的區域，因此是適于制成梁形狀的支承部件41的方法。
[0065]壓電兀件保持部32的中心部分從包圍板40的緣部40a相對分尚。因此，在振動板50中，在與壓電元件保持部32的中心部分對應的中心位置C(參照圖1等)不存在支承部件41的情況下剛性容易降低。因此，支承部件41以支承這種振動板50的中心位置C的方式設置。由此，能夠確保更高可靠性。
[0066]在本發明中，支承部件的個數、配置、形狀等能夠進行各種選擇。例如，支承部件也可以為多個。在該情況下，支承部件優選以等間隔設置于壓電元件保持部32內。由此，能夠均勻地支承振動板50。因此，支承部件的個數優選為三個以上的奇數。這是因為:在壓電元件保持部32內以等間隔設置有支承部件時，其正中的支承部件能夠位于振動板50的中心位置C的附近。例如，若支承部件的個數為三個左右，則平衡性好。
[0067]支承部件也可以僅設置于從振動板50的中心位置C偏離的部分。支承部件也可以不具有梁形狀。支承部件也可以不沿延伸方向形成為直線狀。根據支承部件的制成方法，有時支承部件的XY平面的剖面積與第3方向Z對應而形成為不同方式，但所涉及的方式只要能夠支承振動板便屬于本發明的支承部件。
[0068]在壓電元件300中，任一方的電極形成為共用電極，另一方的電極形成為獨立電極。此處，以遍及第I方向X的方式設置第I電極60而構成獨立電極，以遍及第2方向Y的方式設置第2電極80而構成共用電極。其中，也可以考慮驅動電路、布線的狀況，將第I電極構成為共用電極，將第2電極構成為獨立電極。
[0069]第I電極60、第2電極80的材料只要為具有導電性的材料便不受限制。作為第I電極60、第2電極80的材料，舉例有金屬材料、氧化錫系導電材料、氧化鋅系導電材料、氧化物導電材料等。金屬材料為白金(Pt)、銥(Ir)、金(Au)、招(Al)、銅(Cu)、鈦(Ti)、不銹鋼等。氧化錫系導電材料為氧化銦錫(ITO)、摻氟氧化錫(FTO)等。氧化物導電材料為氧化鋅系導電材料、釕酸鍶(SrRuO3)、鎳酸鑭(LaN13)、元素摻雜鈦酸鍶等。第I電極60、第2電極80的材料也可以為導電性聚合物等。
[0070]壓電體層70按照空間12刻畫圖案而構成，并被夾持于上述的第I電極60以及第2電極80。壓電體層70構成為包含具有例如ABO3型鈣鈦礦結構的復合氧化物。作為上述復合氧化物，若使用抑制鉛的含量的非鉛系材料，則能夠降低環境負擔。作為非鉛系材料，舉例有包含鉀(K)、鈉(Na)以及鈮(Nb)的KNN系復合氧化物等。
[0071 ] ABO3鈣鈦礦型結構，S卩，在ABO3型結構的A位配位了 12個氧，另外，在B位配位了6個氧而形成八面體(octahedron)。在使用了KNN系的復合氧化物的例子中，N、Na位于A位，Nb位于B位，其組成式例如表示為(K、Na)Nb03。
[0072]KNN系的復合氧化物中可以含有其他的元素。作為其他的元素，可舉出與壓電體層70的A位的一部分置換的鋰(Li)、鉍(Bi)、鋇(Ba)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、釤(Sm)、鈰(Ce)，與壓電體層70的B位的一部分置換的錳(Mn)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鎂(Mg)、銅(Cu)、鋁(Al)、鎳(Ni)、鈷(Co)、絡(Cr)、鈦(Ti)等。
[0073]KNN系的復合氧化物優選不含鉛，但可以含有與A位的一部分置換的Pb(鉛)作為其他的元素。其他的元素的例子不限于上述例子，還可舉出鉭(Ta)、銻(Sb)、銀(Ag)等。這些其他的元素可以包含2種以上。一般而言，其他的元素的量相對于作為主成分的元素的總量為15%以下，優選為10%以下。通過利用其他的元素，有時能夠實現各種特性的提高、構成及功能等的多樣化。為利用其他的元素的復合氧化物時，也優選以具有ABO3鈣鈦礦結構的方式構成。
[0074]作為非鉛系材料，除上述的KNN系的復合氧化物以外，還可舉出含有鉍(Bi)和鐵(Fe)的BFO系的復合氧化物、含有祕(Bi)、鋇(Ba)、鐵(Fe)和鈦(Ti)的BF-BT系的復合氧化物。在使用了 BFO系的復合氧化物的例子中，Bi位于A位，Fe、Ti位于B位，其組成式例如表示為BiFeO3t3在使用了BF — BT系的復合氧化物的例子中，B1、Ba位于A位，Fe、Ti位于B位，其組成式例如表示為(B1、Ba)(Fe、Ti)03。
[0075]BFO系的復合氧化物、BF — BT系的復合氧化物可以含有其他的元素。其他的元素的例子如上所述。另外，BFO系的復合氧化物、BF—BT系的復合氧化物可以含有構成KNN系的復合氧化物的元素。
[0076]壓電體層70可以將非鉛系材料以外的復合氧化物作為主成分而構成。作為非鉛系材料以外的復合氧化物，例如，可舉出鋯鈦酸鉛(Pb (Zr、Ti) O3; PZT)系的復合氧化物。由此，容易實現壓電元件300的位移提高。當然，PZT系的復合氧化物可以含有其他的元素。其他的元素的例子如上所述。
[0077]這些具有AB03型I丐鈦礦結構的復合氧化物還包括因缺少.過量而從化學計量的組成偏離的復合氧化物、元素的一部分被其他的元素取代而得的復合氧化物。即，只要能獲得鈣鈦礦結構，允許晶格失配、氧缺失等引起的不可避免的組成的偏離，自然也允許元素的部分置換等。
[0078]包括形成于基板10的空間12、振動板50、壓電元件300而構成超聲波傳感器元件310。通過在超聲波傳感器元件310除了設置上述的包圍板40之外還設置聲音調整層13以及透鏡部件20而形成為超聲波傳感器I。
[0079]聲音調整層13設置于空間12內。通過設置聲音調整層13，能夠防止在壓電元件300以及測定對象物之間聲阻抗急劇變化的情況，其結果是，能夠防止超聲波的傳播效率降低的情況。聲音調整層13例如能夠由娃樹脂構成，但并不限定于上述的例子，能夠適當地選擇使用與超聲波傳感器的用途等對應的材料。
[0080]透鏡部件20設置于基板10的與振動板50相反的一側。透鏡部件20具有聚焦超聲波的作用。在以電子對焦法聚焦超聲波的情況等下，透鏡部件20可以省略。此處，上述的聲音調整層13還具有透鏡部件20與基板10的粘合功能。在透鏡部件20與基板10(隔壁11)之間夾設聲音調整層13而構成超聲波傳感器I。
[0081 ]在將透鏡部件20安裝于超聲波傳感器元件310時、安裝透鏡部件20后確保該透鏡部件20的緊貼性時，有時對透鏡部件20向聲音調整層13側進行按壓。在不具備透鏡部件20的情況、代替透鏡部件而設置有其他部件的情況下，為了確保各部分的緊貼性，有時也從聲音調整層13側對振動板50賦予按壓力。在超聲波傳感器I中，構成為具備支承部件41，因此，如上所述，即便規定的外壓施加于振動板50，也能夠抑制產生結構形變的情況，從而能夠確保高可靠性。
[0082]在超聲波傳感器I中，構成為振動板50的與壓電元件300相反的一側成為超聲波的通過區域的CAV面型。由此，能夠實現來自外部的水分極難到達壓電元件300的結構，因此成為使用時的電安全性優秀的超聲波傳感器I。并且，在壓電元件300與振動板50為薄膜的情況下，相比振動板50具有充分厚度的包圍板40的緣部40a與支承部件41以包圍壓電元件300的方式與振動板50接合或者粘合。因此，還能夠提高制造時的處理性能，從而超聲波傳感器I的操作變得容易。
[0083](制造方法)
[0084]接下來，對超聲波傳感器I的制造方法的一個例子進行說明。圖5?圖9表示超聲波傳感器的制造方法的各工序。圖5?圖6分別包括從第3方向Z觀察的俯視圖和a — a'線剖視圖。圖7?圖9分別包括從第3方向Z觀察的俯視圖'a — a,線剖視圖以及b — t/線剖視圖<^一a7線沿著第I方向X，b—I/線沿著第2方向Y。
[0085]其中，圖5?圖6表示包圍板40側的制造方法的工序，圖7?圖9表示超聲波傳感器元件310側的制造方法的工序。圖5?圖6的工序與圖7?圖9的工序的順序也可以相反。
[0086]首先，如圖5所示，在包圍板用硅片140(40)的表面設置抗蝕層(未圖示)，將該抗蝕層刻畫圖案為規定形狀而形成掩膜53。此處，在包圍板用硅片140(40)的緣部40a形成掩膜54，并且形成從掩膜54連續向第2方向Y延伸的掩膜55。
[0087 ]然后，如圖6所示，經由掩膜5 3對包圍板用硅片140 (40)進行使用了 KOH等堿性溶液的各向異性蝕刻(濕式蝕刻)。由此，制成形成有支承部件41以及壓電元件保持部32的包圍板40。之后，除去殘留于緣部40a上的掩膜54、殘留于支承部件41上的掩膜55。應予說明，在圖6的(a)中夸大圖示了一部分粗加工剖面。如上所述，濕式蝕刻比例如干式蝕刻加工精度差，但能夠在短時間內切削多的區域。
[0088]另一方面，在基板用硅片110(10)的表面通過熱氧化等形成由氧化硅構成的彈性膜51。之后，在彈性膜51上成膜鋯，并通過熱氧化等形成由氧化鋯構成的絕緣體層52。
[0089]然后，如圖7所示，在絕緣體層52上通過濺射法、蒸鍍法等形成第I電極60，并以第I電極60形成為規定的形狀的方式進行刻畫圖案。接下來，在第I電極60以及振動板50上層疊壓電體層70。壓電體層70例如對將金屬配合物溶解.分散于溶劑而成的溶液進行涂覆干燥，并且通過以高溫燒制而得到由金屬氧化物構成的壓電材料，能夠使用CSD(化學溶液沉積:Chemical Solut1n Deposit 1n)法形成。并不限定于CSD法，例如也可以使用溶膠一凝膠法、激光燒蝕法、濺射法、脈沖.激光.沉積法(PLD法)、CVD法、氣溶膠.沉積法等。
[0090]接下來，如圖8所示，按照壓電元件300對壓電體層70進行刻畫圖案。接下來，在壓電體層70、第I電極60、以及振動板50(振動板50的第2面50b)的表面通過濺射法、熱氧化等形成第2電極80。然后，如圖9所示，對第2電極80進行刻畫圖案，一邊按照第2方向Y的列使之分割一邊按照第I方向X的列使之連續。由此，在振動板50的第2面50b上形成包括第I電極60、壓電體層70、以及第2電極80的壓電元件300。
[0091]并且，在基板用硅片110(10)的與壓電元件300相反的一側的表面設置抗蝕層(未圖示)，將該抗蝕層刻畫圖案為規定形狀而形成掩膜(未圖示)。然后，經由該掩膜對基板用硅片110(10)進行使用了KOH等堿性溶液的各向異性蝕刻(濕式蝕刻)。由此，在基板10的與壓電元件300對置的區域形成空間12。
[0092]之后，依次設置各部件，制成圖2等所示的超聲波傳感器Iο即，以支承部件41不與壓電元件300重疊的方式，利用粘合劑將包圍板40以及支承部件41與超聲波傳感器元件310側接合。然后，在空間12內設置聲音調整層13，并經由該聲音調整層13接合透鏡部件20。也可以在設置了聲音調整層13以及透鏡部件20之后，將包圍板40以及支承部件41與超聲波傳感器元件310側接合。
[0093](實施方式2)
[0094]圖10的(a)是超聲波傳感器的基板的俯視圖。圖10的(b)是圖10的(a)的A—A’線剖視圖。以下，以適當地省略與目前為止的實施方式相同的部分的方式對超聲波傳感器IA進行說明。
[0095]超聲波傳感器IA沿第I方向X并列設置有沿第2方向Y延伸的梁形狀的支承部件41。由此，能夠在遍及第I方向X以及第2方向Y的大范圍內支承振動板50。因此，能夠確保更高可靠性。支承部件41設置于不與壓電元件300重疊的位置。因此，即便在支承部件41沿第I方向X并列設置的情況下，也避免壓電元件300被支承部件41過度約束的情況。
[0096]在超聲波傳感器IA中，按照相鄰的壓電元件300設置有梁形狀的支承部件41。如上所述，并不限定支承部件41的個數。通過增多支承部件41的個數，能夠均勻地支承振動板50。另一方面，若支承部件41的個數增多，則有時需要高加工精度。
[0097](實施方式3)
[0098]圖11是超聲波傳感器的基板的俯視圖。圖12的(a)是圖11的A—A’線剖視圖。圖12的(b)是圖11的B — B’線剖視圖。以下，以適當地省略與目前為止的實施方式相同的部分的方式對超聲波傳感器IB進行說明。
[0099]超聲波傳感器IB的支承部件41B具有僅在第3方向Z與包圍板40接觸的柱形狀。若為柱形狀的支承部件41B，則容易對準特定的位置來支承振動板50。例如，此處的支承部件41B以支承振動板50的中心位置C(參照圖1等)的方式設置。
[0100]柱形狀的支承部件41B通過對包圍板40進行干式蝕刻而制成。干式蝕刻比例如濕式蝕刻需要加工時間，但無需擔心硅襯底的結晶面方位而能夠以高精度進行加工，因此是適于制成柱形狀的支承部件41B的方法。應予說明，即便是上述的梁形狀的支承部件41，在其數量非常多的情況下也需要高加工精度，因此在這種情況下干式蝕刻有利。
[0101]接下來，對超聲波傳感器IB的制造方法的一個例子進行說明。圖13?圖14表示超聲波傳感器的制造方法的各工序，分別由從第3方向Z觀察的俯視圖、a — a'線剖視圖以及b-b7線剖視圖構成。a—Y線沿著第I方向X，b—I/線沿著第2方向Y。
[0102]超聲波傳感器IB的制造方法除了通過對柱形狀的支承部件41B進行干式蝕刻而制成這點之外，與實施方式I的制造方法相同。因此，此處僅對包圍板40側的制造方法的工序進行說明。
[0103]首先，如圖13所示，在包圍板用硅片140(40)的表面設置抗蝕層(未圖示)，并將該抗蝕層刻畫圖案為規定形狀而形成掩膜53。此處，在包圍板用硅片140(40)的緣部40a形成掩膜54，并且從掩膜54非連續地形成掩膜56。
[0104]然后，如圖14所示，經由掩膜53對包圍板用硅片140(40)進行干式蝕刻。由此，制成形成有支承部件41B以及壓電元件保持部32的包圍板40。之后，除去殘留于緣部40a上的掩膜54、殘留于支承部件41B上的掩膜56。除此之外，與實施方式I相同。應予說明，在圖14中，與例如圖6的(a)的情況相比，以高精度形成加工剖面。如上所述，干式蝕刻比例如濕式蝕刻需要加工時間，但無需擔心硅襯底的結晶面方位而能夠以高精度進行加工。
[0105](實施方式4)
[0106]圖15是超聲波傳感器的基板的俯視圖。以下，以適當地省略與目前為止的實施方式相同的部分的方式對超聲波傳感器IC進行說明。
[0107]超聲波傳感器IC沿第I方向X以及第2方向Y的方向并列設置有柱形狀的支承部件41B。由此，能夠對準特定的位置在大范圍內支承振動板50。柱形狀的支承部件41B也可以沿第I方向X或者第2方向Y中的至少一方的方向并列設置。
[0108](實施方式5)
[0109](超聲波傳感器)
[0110]圖16是超聲波傳感器的基板的俯視圖。圖17的(a)是圖16的A—A7線剖視圖。圖17的(b)是圖16的B — B'線剖視圖。以下，以適當地省略與目前為止的實施方式相同的部分的方式對超聲波傳感器ID進行說明。
[0111]超聲波傳感器ID中的第I電極60以及第2電極80的任一方為能夠按照每一列或者每多列進行驅動的獨立電極，另一方為共用電極，與該共用電極連接而設置有旁路電極85。此處，第I電極60形成為能夠按照每多列進行驅動的獨立電極，第2電極80形成為共用電極。
[0112]S卩，在超聲波傳感器ID中，在第I方向X(切片方向)并列設置有16個超聲波傳感器元件310，在第2方向Y(掃描)并列設置有64個超聲波傳感器元件310。第I電極60能夠按照沿第I方向X延伸的每4列進行驅動。第2電極80按照沿第2方向Y延伸的每列連續設置。
[0113]旁路電極85具有:沿第2方向Y延伸的第I延伸配置部85a、和從第I延伸配置部85a連續地沿第I方向X延伸的第2延伸配置部85b。在該第2延伸配置部85b連接有沿第2方向Y延伸的第2電極80。第2延伸配置部85b針對沿第I方向X設置有4列第I電極60的情況以與第I延伸配置部85a連結的方式設置。
[0114]通過設置旁路電極85，能夠將共用電極的阻抗的增大平均化。在該情況下，成為能夠確保尚可靠性，并且還能夠提尚超聲波的發送效率、接收效率的超聲波傳感器ID。
[0115]旁路電極85優選使用與第I電極60、第2電極80不同的材料，并優選使用電阻率小的材料，能夠舉例有金、銀、銅、鋁等。在超聲波傳感器ID中，使用金。在形成金的布線的情況下，優選作為基底形成鎳鉻合金等的基底層。旁路電極85無需為單層，可以為二層以上的層疊膜，在層疊的情況下，優選整體的電阻值形成為比第2電極80小。
[0116]雖未圖示，但由于改善第I電極60的延伸配置方向的阻抗的增大，所以除了與第2電極80連續的旁路電極85之外，也可以進一步設置與第I電極60連續的旁路電極(第2旁路電極)。第2旁路電極構成為具備:沿作為第I電極60的延伸配置方向的第I方向X延伸的第I延伸配置部、和將該第I延伸配置部與各列的第I電極連結的第2延伸配置部。
[0117]在旁路電極與第I電極60、第2電極80重疊的區域，旁路電極優選設置于第I電極60、第2電極80的上方。由此，能夠提尚制造時的成品率，從而能夠進一步實現可罪性的提高。反言之，通過在已經形成有第I電極60、第2電極80的區域上進一步層疊例如金的層，而發揮作為旁路電極的上述的功能。
[0118]旁路電極85可以為薄膜也可以為厚膜。旁路電極85優選其構成材料的楊氏模量、膜厚以及短邊側寬度之積(以下，稱為“α值”)比第2電極80的α值大。因此，以厚膜形成旁路電極85容易滿足上述的α值的關系。另一方面，若旁路電極85為厚膜，則與振動板50之間的階梯差增大。因階梯差的大小，而難以遍及旁路電極85以及振動板50緊貼性良好地設置支承部件41。在該情況下，還能夠在包圍板40、支承部件41接合的區域不形成旁路電極85(將旁路電極形成為條紋狀)。
[0119]在超聲波傳感器1D，在包圍板40的靠壓電元件300側的面40b與振動板50的第2面50b之間，并且在不與壓電元件300重疊的位置也設置有支承部件41。此處，設置有沿第2方向Y延伸的梁形狀的支承部件41。梁形狀的支承部件41沿第I方向X并列設置。即，梁形狀的支承部件41以沿著第I電極60的方式設置于相鄰的第I電極60之間。
[0120]在超聲波傳感器ID中，旁路電極85連續設置，而與其上方的部件的有無無關。即，包圍板40的緣部40a、支承部件41至少經由旁路電極85與超聲波傳感器元件310側接合。
[0121](制造方法)
[0122]接下來，對超聲波傳感器ID的制造方法的一個例子進行說明。超聲波傳感器ID的制造方法除了制成有關旁路電極的結構這點之外，與實施方式2的制造方法相同。
[0123]S卩，通過與實施方式2的制造方法相同的方法制成壓電元件300。在制成壓電元件300之后，成膜鎳鉻等的基底層與金層，并通過刻畫圖案制成旁路電極85。形成旁路電極85的工序可以在形成空間12之前也可以在之后。之后，利用粘合劑等將包圍板40以及支承部件41與超聲波傳感器元件310側接合。
[0124](實施方式6)
[0125]圖18是超聲波傳感器的剖視圖。切剖面相當于圖16的A—A’線。以下，以適當地省略與目前為止的實施方式相同的部分的方式對超聲波傳感器IE進行說明。
[0126]超聲波傳感器IE以除去包圍板40的緣部40a、支承部件41接合的區域的方式設置有旁路電極86。即，在超聲波傳感器IE中，在從第3方向Z觀察時，旁路電極86被設置為條紋狀。由此，容易將包圍板40以及支承部件41與超聲波傳感器元件310側接合。另外，包圍板40以及支承部件41與超聲波傳感器元件310的緊貼性不存在因旁路電極85而受到負面影響的擔憂。
[0127]超聲波傳感器IE的制造方法除了制成條紋狀的旁路電極86這點之外，與實施方式5的制造方法相同。在包圍板40、支承部件41接合的區域不形成旁路電極。由此，制成條紋狀的旁路電極86。
[0128](其他實施方式)
[0129]以上，對本發明的一個實施方式進行了說明。但是，本發明的基本結構并不限定上述的方式。上述的實施方式能夠相互組合。例如，還能夠在具備旁路電極的超聲波傳感器設置柱形狀的支承部件。
[0130]另外，例如，在圖2中例示了集合配置有多個超聲波傳感器元件的方式，但超聲波傳感器元件只要為多個即可，因此，也可以為兩個。本發明以全部CAV面型超聲波傳感器為對象，還能夠應用于發送專用型、接收專用型、發送接收一體型等的任一超聲波傳感器。
[0131]本發明的超聲波傳感器能夠應用于各種超聲波設備。特別是CAV面型超聲波傳感器與ACT面型超聲波傳感器相比使用時的電安全性優秀。因此，CAV面型超聲波傳感器還適合使用于從安全性等這點來看特別忌諱泄漏電流的醫用設備例如超聲波診斷裝置、血壓計以及眼壓計。
[0132]本發明的超聲波傳感器能夠作為各種壓力傳感器使用。例如，還能夠在打印機等液體噴射裝置作為檢測墨水的壓力的傳感器應用。另外，本發明的超聲波傳感器的結構能夠適合應用于超聲波馬達、壓電變壓器、振動式除塵裝置、壓電轉換機、超聲波發送機以及加速度傳感器等。能夠利用這種超聲波傳感器的結構的完成體，例如，搭載有上述的超聲波傳感器的機器人等也屬于超聲波設備。
[0133]附圖所示的構成要素，S卩，各部分的形狀、大小、層的厚度、相對位置關系、重復單位等有時在說明本發明時夸大示出。另外，本說明書的“上”的用語并不限定于構成要素的位置關系為“正上”。例如，“基板上的壓電元件”、“振動板上的支承部件”的表現不排除在基板與壓電元件之間、振動板與支承部件之間包含其他構成要素的情況。
[0134]附圖標記說明
[0135]I…超聲波探頭；1、1A?IE…超聲波傳感器;2‘"FPC基板;3…電纜;4…中繼基板；5…殼體;6…防水性樹脂；10...基板;11...隔壁;12...空間；13...聲音調整層;20...透鏡部件;40...包圍板;40a…包圍板的緣部;40b…包圍板的壓電兀件側的面；50...振動板;50a…第I面;50b…第2面;51...彈性膜;52...絕緣體層;53?56…掩膜;60...第I電極;70...壓電體層；80...第2電極;85...旁路電極;85a...第I延伸配置部;85b…第2延伸配置部;300...壓電元件；310…超聲波傳感器元件。
【主權項】
1.一種超聲波傳感器，其特征在于， 在將相互正交的兩個軸設為X軸以及Y軸，將由所述X軸以及Y軸形成的平面設為XY平面時， 所述超聲波傳感器具備: 沿著所述XY平面的基板； 多個空間，所述多個空間沿所述X軸方向以及所述Y軸方向中的至少一個方向形成于所述基板； 振動板，其以封閉所述空間的方式設置于所述基板上，并具有靠所述基板側的第I面以及與該第I面對置的第2面； 壓電元件，其設置于所述振動板的所述第2面側中與空間對應的部分，并發送以及/或者接收超聲波；以及 包圍板，其設置于所述振動板的所述第2面側，并包圍所述壓電元件的周圍的區域， 在所述包圍板的所述壓電元件側的面與所述振動板的所述第2面之間，并且在不與所述壓電元件重疊的位置設置有支承部件。2.根據權利要求1所述的超聲波傳感器，其特征在于， 所述支承部件具有沿所述X軸方向或者所述Y軸方向中的一個方向延伸的梁形狀。3.根據權利要求2所述的超聲波傳感器，其特征在于， 所述支承部件沿所述X軸方向或者所述Y軸方向中的與所述一個方向相交的另一個方向并列設置。4.根據權利要求1所述的超聲波傳感器，其特征在于， 在將與所述X軸以及Y軸均正交的軸設為Z軸時， 所述支承部件具有僅在所述Z軸方向與所述包圍板接觸的柱形狀。5.根據權利要求4所述的超聲波傳感器，其特征在于， 所述支承部件沿所述X軸方向或者所述Y軸方向中的至少一個方向并列設置。6.根據權利要求1?5中的任一項所述的超聲波傳感器，其特征在于， 所述壓電元件構成為包括:形成于所述基板上的第I電極、形成于所述第I電極上的壓電體層、以及形成于所述壓電體層上的第2電極， 所述第I電極以及所述第2電極的任一方為能夠按照每一列或者每多列進行驅動的獨立電極，另一方為共用電極， 以與所述第I電極以及第2電極的至少任一方重疊的方式、以及/或者以與所述第2電極連續的方式設置有旁路電極。7.根據權利要求6所述的超聲波傳感器，其特征在于， 所述旁路電極以除去包圍板以及所述支承部件與所述振動板的接合區域的方式設置為條紋狀。8.一種超聲波傳感器的制造方法，其特征在于， 在將相互正交的兩個軸設為X軸以及Y軸，將由所述X軸以及Y軸形成的平面設為XY平面時， 所述超聲波傳感器具備: 沿著所述XY平面的基板； 多個空間，所述多個空間沿所述X軸方向以及所述Y軸方向中的至少一個方向形成于所述基板； 振動板，其以封閉所述空間的方式設置于所述基板上，并具有靠所述基板側的第I面以及與該第I面對置的第2面； 壓電元件，其設置于所述振動板的所述第2面側中與空間對應的部分，并發送以及/或者接收超聲波；以及 包圍板，其設置于所述振動板的所述第2面側，并包圍所述壓電元件的周圍的區域， 在所述超聲波傳感器的制造方法中， 在所述包圍板的所述壓電元件側的面與所述振動板的所述第2面之間，并且在不與所述壓電元件重疊的位置設置支承部件。9.根據權利要求8所述的超聲波傳感器的制造方法，其特征在于， 通過濕式蝕刻制作具有沿所述X軸方向或者所述Y軸方向中的一個方向延伸的梁形狀的所述支承部件。10.根據權利要求8所述的超聲波傳感器的制造方法，其特征在于， 在將與所述X軸以及Y軸均正交的軸設為Z軸時， 通過干式蝕刻制作具有僅在所述Z軸方向與所述包圍板接觸的柱形狀的所述支承部件。
【文檔編號】H01L41/053GK106025058SQ201610157590
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】大橋幸司, 小島力, 巖井光
【申請人】精工愛普生株式會社