超声波传感器及其制造方法
【专利摘要】本发明提供超声波传感器及其制造方法，能够确保高可靠性。该超声波传感器具备：沿着XY平面的基板(10)；多个空间(12)，其沿X轴方向以及Y轴方向中的至少一个方向形成于基板；振动板(50)，其以封闭空间的方式设置于基板上，并具有靠基板侧的第1面(50a)以及与该第1面对置的第2面(50b)；压电元件(300)，其设置于振动板的第2面侧中的与空间对应的部分，发送以及/或者接收超声波；以及包围板(40)，其设置于振动板的第2面侧，并包围压电元件的周围的区域，在包围板的靠压电元件侧的面(40b)与振动板的第2面之间，并且在不与压电元件重叠的位置设置有支承部件(41)。
【专利说明】
超声波传感器及其制造方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及超声波传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]以往，存在具备发送以及/或者接收超声波的压电元件、设置有压电元件的振动板、以及传递超声波的声音调整层的超声波传感器。例如，存在具备电气设备转换元件(压电元件)、可动膜(振动板)、以及设置于可动膜的与电气设备转换元件相反的一侧的开口部(空间)的传声部件(声音调整层)的超声波传感器(参照专利文献I以及2)。
[0003]专利文献I以及2的超声波传感器均为振动板的与压电元件相反的一侧成为超声波的通过区域的类型(所谓CAV面型)。而且，在专利文献I以及2中提出了均在振动板的靠压电元件侧设置有密封压电元件的密封部件的方案。在密封部件的中央形成有凹部，利用该凹部覆盖压电元件的周围的区域。
[0004]专利文献1:日本特开2011 — 255024号公报(权利要求1、权利要求2、
[0054]段等)
[0005]专利文献2:日本特开2011 — 259274号公报(
[0051]段、
[0053]段、图6等)
[0006]然而，在专利文献I以及2中，在设置有密封部件的情况下，存在难以确保高可靠性的问题。即，在集合配置有多个压电元件的情况下，形成于密封部件的凹部的开口面积增大。在该情况下，若从声音调整层侧向振动板施加规定的压力，则振动板在密封部件的凹部内大幅度挠曲，其结果是，存在产生结构形变而可靠性降低的担忧。因情况，还有在各部产生裂缝的担忧。这种问题并不限于专利文献I以及2的超声波传感器，只要是CAV面型超声波传感器便同样存在。
【发明内容】
[0007]本发明鉴于这种情况而完成，其目的在于提供能够确保高可靠性的超声波传感器及其制造方法。
[0008]解决上述课题的本发明的方式为一种超声波传感器，其特征在于，在将相互正交的两个轴设为X轴以及Y轴，将由上述X轴以及Y轴形成的平面设为XY平面时，该超声波传感器具备:沿着上述XY平面的基板;多个空间，上述多个空间沿上述X轴方向以及上述Y轴方向中的至少一个方向形成于上述基板;振动板，其以封闭上述空间的方式设置于上述基板上，并具有靠上述基板侧的第I面以及与该第I面对置的第2面;多个压电元件，上述多个压电元件设置于上述振动板的上述第2面侧中与空间对应的部分，发送以及/或者接收超声波；以及包围板，其设置于上述振动板的上述第2面侧，并包围多个上述压电元件的周围的区域，在上述包围板的靠上述压电元件侧的面与上述振动板的上述第2面之间，并且在不与上述压电元件重叠的位置设置有支承部件。
[0009]根据上述方式，能够利用上述的支承部件支承振动板。因此，例如，在安装透镜部件时、安装透镜部件后确保该透镜部件的紧贴性时，即便从声音调整层侧向振动板施加了规定的压力，也防止振动板在包围板的凹部内大幅度挠曲的情况。因此，能够抑制产生结构形变的情况，从而能够确保高可靠性。
[0010]应予说明，根据上述方式，在不与压电元件重叠的位置设置有支承部件。因此，避免压电元件被支承部件过度约束的情况。因此，与未设置有支承部件的情况相比，还防止超声波的发送效率、接收效率过度降低的情况。
[0011]此处，优选，上述支承部件具有沿上述X轴方向或者上述Y轴方向中的一个方向延伸的梁形状。根据上述方式，能够在遍及X轴方向或者上述Y轴方向的大范围内利用上述的支承部件支承振动板。因此，能够确保更高可靠性。
[0012]另外，优选，上述支承部件沿上述X轴方向或者上述Y轴方向中的与上述一个方向相交的另一个方向并列设置。根据上述方式，能够在遍及X轴方向以及上述Y轴方向的大范围内利用上述支承部件支承振动板。因此，能够确保更高可靠性。
[0013]另外，优选，在将与上述X轴以及Y轴均正交的轴设为Z轴时，上述支承部件具有仅在上述Z轴方向与上述包围板接触的柱形状。根据上述方式，能够对准特定的位置利用上述支承部件支承振动板。因此，能够可靠地确保高可靠性。
[0014]另外，优选，上述支承部件沿上述X轴方向或者上述Y轴方向中的至少一个方向并列设置。根据上述方式，能够对准特定的位置并在大范围内利用上述支承部件支承振动板。因此，能够可靠地确保高可靠性。
[0015]另外，优选，上述压电元件构成为包括:形成于上述基板上的第I电极、形成于上述第I电极上的压电体层、以及形成于上述压电体层上的第2电极，上述第I电极以及上述第2电极的任一方为能够按照每一列或者每多列进行驱动的独立电极，另一方为共用电极，以与上述第I电极以及第2电极的至少任一方重叠的方式，以及/或者以与上述第2电极连续的方式设置有旁路电极。根据上述方式，通过设置旁路电极，能够将第2电极的阻抗的增大平均化。在该情况下，成为能够确保高可靠性，并且还能够实现超声波的发送效率、接收效率的提尚的超声波传感器。
[0016]另外，优选，上述旁路电极以除去包围板以及上述支承部件与上述振动板的接合区域的方式设置为条纹状。根据上述方式，容易将包围板与超声波传感器元件侧接合。另夕卜，包围板以及支承部件与超声波传感器元件的紧贴性不存在因旁路电极而受到负面影响的担忧。因此，能够确保高可靠性。
[0017]解决上述课题的本发明的其他方式是一种超声波传感器的制造方法，在将相互正交的两个轴设为X轴以及Y轴，将由上述X轴以及Y轴形成的平面设为XY平面时，该超声波传感器具备:沿着上述XY平面的基板;多个空间，上述多个空间沿上述X轴方向以及上述Y轴方向中的至少一个方向形成于上述基板;振动板，其以封闭上述空间的方式设置于上述基板上，并具有靠上述基板侧的第I面以及与该第I面对置的第2面;多个压电元件，上述多个压电元件设置于上述振动板的上述第2面侧中的与空间对应的部分，发送以及/或者接收超声波；以及包围板，其设置于上述振动板的上述第2面侧，并包围多个上述压电元件的周围的区域，在上述超声波传感器的制造方法中，在上述包围板的上述压电元件侧的面与上述振动板的上述第2面之间，并且在不与上述压电元件重叠的位置设置支承部件。根据上述方式，能够抑制产生结构形变，从而能够制造能够确保高可靠性的超声波传感器。
[0018]另外，优选，通过湿式蚀刻制作具有沿上述X轴方向或者上述Y轴方向中的一个方向延伸的梁形状的上述支承部件。根据上述方式，能够容易制造能够在大范围内支承振动板的超声波传感器。
[0019]另外，优选，在将与上述X轴以及Y轴均正交的轴设为Z轴时，通过干式蚀刻制作具有仅在上述Z轴方向与上述包围板接触的柱形状的上述支承部件。根据上述方式，能够容易制造能对准特定的位置支承振动板的超声波传感器。
【附图说明】
[0020]图1是表示超声波设备的构成例的剖视图。
[0021 ]图2是表示超声波传感器的构成例的分解立体图。
[0022]图3是表示超声波传感器的构成例的俯视图。
[0023]图4是表示超声波传感器的构成例的剖视图。
[0024]图5是表示超声波传感器的制造例(包围板侧)的图。
[0025]图6是表示超声波传感器的制造例(包围板侧)的图。
[0026]图7是表示超声波传感器的制造例(超声波传感器元件侧)的图。
[0027]图8是表示超声波传感器的制造例(超声波传感器元件侧)的图。
[0028]图9是表示超声波传感器的制造例(超声波传感器元件侧)的图。
[0029]图10是表示超声波传感器的构成例的俯视图以及剖视图。
[0030]图11是表示超声波传感器的构成例的俯视图。
[0031 ]图12是表示超声波传感器的构成例的剖视图。
[0032]图13是表示超声波传感器的制造例(包围板侧)的图。
[0033]图14是表示超声波传感器的制造例(包围板侧)的图。
[0034]图15是表示超声波传感器的构成例的俯视图。
[0035]图16是表示超声波传感器的构成例的俯视图。
[0036]图17是表示超声波传感器的构成例的剖视图。
[0037]图18是表示超声波传感器的构成例的剖视图。
【具体实施方式】
[0038]以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下的说明表示本发明的一个方式，并在本发明的范围内能够任意变更。在各图中，标注了相同的附图标记的部件表示相同的部件，并适当地省略说明。
[0039](实施方式I)
[0040](超声波设备)
[0041]图1是表示搭载有超声波传感器的超声波设备的构成例的剖视图。如图所示，超声波探头I构成为具备:CAV面型超声波传感器I;与超声波传感器I连接的挠性印刷电路基板(FPC基板2);从装置终端(未图示)拉出的电缆3;中继FPC基板2以及电缆3的中继基板4;对超声波传感器1、FPC基板2以及中继基板4进行保护的壳体5;被填充于壳体5以及超声波传感器I之间的防水性树脂6等。
[0042]从超声波传感器I发送超声波。另外，利用超声波传感器I接收从测定对象物反射的超声波。基于上述超声波的波形信号，在超声波探头I的装置终端中检测有关测定对象物的信息(位置、形状等)。
[0043]根据超声波传感器I，如后所述，能够抑制产生结构形变的情况，从而能够确保高可靠性。因此，通过搭载超声波传感器I，而成为各种特性优秀的超声波设备。本发明还能够应用于最适于发送超声波的发送专用型、最适于接收超声波的接收专用型、以及最适于发送以及接收超声波的发送接收一体型等任意的超声波传感器。能够搭载超声波传感器I的超声波设备并不限定于超声波探头I。
[0044](超声波传感器)
[0045]接下来，对超声波传感器I的构成例进行说明。图2是超声波传感器的分解立体图。图3是超声波传感器的基板的俯视图。图4的(a)是图3的A—A’线剖视图。图4的(b)是图3的B—B’线#1』视图。
[0046]在超声波传感器的基板沿着由X轴以及Y轴形成的XY平面时，图4的(a)的切剖面沿着由X轴以及Z轴形成的XZ平面，图4的(b)的切剖面沿着由Y轴以及Z轴形成的YZ平面。以下，将X轴称为第I方向X，将Y轴称为第2方向Y，将Z轴称为第3方向Z。
[0047]超声波传感器I构成为包括:超声波传感器元件310、声音调整层13、透镜部件20、以及包围板40。超声波传感器元件310构成为包括:基板10、振动板50、以及压电元件300。在图2中将包围板40与支承部件41表示为独立，但实际上两者构成为一体。
[0048]在基板10形成有多个隔壁11。利用多个隔壁11划分多个空间12。基板10能够使用Si单结晶基板。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]空间12以沿第3方向Z贯通基板10的方式形成。空间12二维状地形成，S卩，沿第I方向X形成有多个并且沿第2方向Y形成有多个。在将第I方向X作为扫描方向，将第2方向Y作为切片方向(^ y Y X方向)时，超声波传感器I 一边沿扫描方向进行扫描，一边按照沿切片方向延伸的每列进行超声波的发送和接收。由此，能够沿扫描方向连续取得切片方向的传感检测信息。空间12在从第3方向Z观察时为正方形(第I方向X与第2方向Y的长度之比为1:1)。
[0050]空间12的排列、形状能够进行各种变形。例如，空间12也可以一维状地形成，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个。另外，空间12也可以在从第3方向Z观察时为长方形(第I方向X与第2方向Y的长度之比为1:1以外)。
[0051]振动板50以封闭空间12的方式设置于基板10上。以下，将振动板50的靠基板10侧的面称为第I面50a，将与该第I面50a对置的面称为第2面50b。振动板50由形成于基板10上的弹性膜51、与形成于弹性膜51上的绝缘体层52构成。在该情况下，由弹性膜51构成第I面50a，由绝缘体层52构成第2面50b。
[0052]弹性膜51由二氧化硅(S12)等构成，绝缘体层52由氧化锆(ZrO2)等构成。弹性膜51也可以不为与基板10不同的部件。也可以将基板10的一部分加工得较薄而使用其作为弹性膜。振动板50加上基板10的厚度约为50μπι，但并不限定于上述的值。振动板50加上基板10的厚度能够考虑挠性、强度等而适当地选择。
[0053]在振动板50的第2面50b侧中与空间12对应的部分设置有发送以及/或者接收超声波的压电元件300。以下，将振动板50的第2面50b侧中的与空间12对应的部分称为可动部。可动部是通过压电元件300的位移而产生振动的部分。与可动部所产生的振动对应，从超声波传感器I发送以及/或者接收超声波。
[0054]压电元件300构成为包括:厚度约为0.2μηι的第I电极60 ；厚度约为3.Ομπι以下，优选厚度约为0.5μπι?1.5μπι的压电体层70 ；以及厚度约为0.05μπι的第2电极80。
[0055]以下，将由第I电极60与第2电极80夹住的部分称为能动部。另外，在本实施方式中，通过压电体层70的位移至少使振动板50以及第I电极60位移。即，在本实施方式中，至少振动板50以及第I电极60实际上具有作为振动板的功能。其中，也可以不设置弹性膜51以及绝缘体层52的任一方、或者双方，而仅使第I电极60作为振动板发挥功能。在基板10上直接设置有第I电极60的情况下，优选利用绝缘性的保护膜等保护第I电极60。
[0056]虽未图示，但也可以在压电元件300与振动板50之间设置其他层。例如，也可以在压电元件300与振动板50之间设置用于提高紧贴性的紧贴层。这种紧贴层例如由氧化钛(T1x)层、钛(Ti)层或者氮化硅(SiN)层等构成。
[0057]压电元件300在从第3方向Z观察时处于空间12的内侧的区域。即，压电元件300的第I方向X以及第2方向Y均比空间12短。其中，压电元件300的第I方向X比空间12长的情况、压电元件300的第2方向Y比空间12长的情况也属于本发明。
[0058]在振动板50的第2面50b侧设置有包围板40。在包围板40的中央形成有凹部(压电元件保持部32)，该压电元件保持部32的周围形成为包围板40的缘部40a(参照图1等)。利用压电元件保持部32覆盖压电元件300的周围的区域(包括压电元件300的上表面以及侧面的区域)。因此，相当于压电元件保持部32的底面的面成为包围板40的靠压电元件300侧的面40b ο
[0059]包围板40在缘部40a与超声波传感器元件310侧接合。包围板40的接合能够使用粘合剂(未图示)，但并不限定于上述的例子。压电元件保持部32的深度、即第3方向的长度约为80μπι，但并不限定于上述的值。压电元件保持部32的深度只要为确保不阻碍压电元件300的驱动的程度的空间的值即可。另外，压电元件保持部32可以由空气充满，也可以由树脂充满。包围板40的厚度约为400μηι，但并不限定于上述的值。
[0060]在超声波传感器I，且在包围板40的靠压电元件300侧的面40b与振动板50的第2面50b之间，并且，在不与压电元件300重叠的位置设置有支承部件41。由此，能够利用支承部件41支承振动板50。因此，例如，即便在安装透镜部件20时、安装透镜部件20后确保该透镜部件20的紧贴性时，从声音调整层13侧向振动板50施加了规定的压力，也防止振动板50在压电元件保持部32内大幅度挠曲的情况。因此，能够抑制产生结构形变的情况，从而能够确保高可靠性。
[0061]支承部件41设置于不与压电元件300重叠的位置。因此，避免压电元件300被支承部件41过度约束的情况。因此，与未设置有支承部件41的情况相比，还防止超声波的发送效率、接收效率过度降低的情况。
[0062]不与压电元件300重叠的位置是在从第3方向Z观察时不与上述的能动部(由第I电极60与第2电极80夹住的部分)重叠的位置。特别是，在超声波传感器I中，具有比隔壁11窄的宽度的支承部件41设置于相邻的空间12之间。换句话说，在超声波传感器I中，在从第3方向Z观察时，支承部件41甚至不与上述的可动部(振动板50的第2面50b侧中的与空间12对应的部分)重叠。因此，与未设置有支承部件41的情况相比，可靠地防止超声波的发送效率、接收效率过度降低的情况。支承部件41利用粘合剂(未图示)与超声波传感器元件310侧接合，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延伸的梁形状。由此，能够在遍及第2方向Y的大范围内支承振动板50。梁形状的支承部件41也可以不沿第2方向Y而沿第I方向X延伸。梁形状的支承部件41的延伸的一方的端部也可以从包围板40的缘部40a分离。只要延伸方向的至少一方的端部与包围板40的缘部40a接触，便属于梁形状的支承部件41。
[0064]梁形状的支承部件41通过对包围板40进行湿式蚀刻而制成。这样，支承部件41通过有效利用包围板40的构成材料而制成，具有与包围板40相同的构成。湿式蚀刻与例如干式蚀刻相比，虽然加工精度差，但能够在短时间内切削多的区域，因此是适于制成梁形状的支承部件41的方法。
[0065]压电兀件保持部32的中心部分从包围板40的缘部40a相对分尚。因此，在振动板50中，在与压电元件保持部32的中心部分对应的中心位置C(参照图1等)不存在支承部件41的情况下刚性容易降低。因此，支承部件41以支承这种振动板50的中心位置C的方式设置。由此，能够确保更高可靠性。
[0066]在本发明中，支承部件的个数、配置、形状等能够进行各种选择。例如，支承部件也可以为多个。在该情况下，支承部件优选以等间隔设置于压电元件保持部32内。由此，能够均匀地支承振动板50。因此，支承部件的个数优选为三个以上的奇数。这是因为:在压电元件保持部32内以等间隔设置有支承部件时，其正中的支承部件能够位于振动板50的中心位置C的附近。例如，若支承部件的个数为三个左右，则平衡性好。
[0067]支承部件也可以仅设置于从振动板50的中心位置C偏离的部分。支承部件也可以不具有梁形状。支承部件也可以不沿延伸方向形成为直线状。根据支承部件的制成方法，有时支承部件的XY平面的剖面积与第3方向Z对应而形成为不同方式，但所涉及的方式只要能够支承振动板便属于本发明的支承部件。
[0068]在压电元件300中，任一方的电极形成为共用电极，另一方的电极形成为独立电极。此处，以遍及第I方向X的方式设置第I电极60而构成独立电极，以遍及第2方向Y的方式设置第2电极80而构成共用电极。其中，也可以考虑驱动电路、布线的状况，将第I电极构成为共用电极，将第2电极构成为独立电极。
[0069]第I电极60、第2电极80的材料只要为具有导电性的材料便不受限制。作为第I电极60、第2电极80的材料，举例有金属材料、氧化锡系导电材料、氧化锌系导电材料、氧化物导电材料等。金属材料为白金(Pt)、铱(Ir)、金(Au)、招(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、不锈钢等。氧化锡系导电材料为氧化铟锡(ITO)、掺氟氧化锡(FTO)等。氧化物导电材料为氧化锌系导电材料、钌酸锶(SrRuO3)、镍酸镧(LaN13)、元素掺杂钛酸锶等。第I电极60、第2电极80的材料也可以为导电性聚合物等。
[0070]压电体层70按照空间12刻画图案而构成，并被夹持于上述的第I电极60以及第2电极80。压电体层70构成为包含具有例如ABO3型钙钛矿结构的复合氧化物。作为上述复合氧化物，若使用抑制铅的含量的非铅系材料，则能够降低环境负担。作为非铅系材料，举例有包含钾(K)、钠(Na)以及铌(Nb)的KNN系复合氧化物等。
[0071 ] ABO3钙钛矿型结构，S卩，在ABO3型结构的A位配位了 12个氧，另外，在B位配位了6个氧而形成八面体(octahedron)。在使用了KNN系的复合氧化物的例子中，N、Na位于A位，Nb位于B位，其组成式例如表示为(K、Na)Nb03。
[0072]KNN系的复合氧化物中可以含有其他的元素。作为其他的元素，可举出与压电体层70的A位的一部分置换的锂(Li)、铋(Bi)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)、钐(Sm)、铈(Ce)，与压电体层70的B位的一部分置换的锰(Mn)、锌(Zn)、锆(Zr)、镁(Mg)、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、络(Cr)、钛(Ti)等。
[0073]KNN系的复合氧化物优选不含铅，但可以含有与A位的一部分置换的Pb(铅)作为其他的元素。其他的元素的例子不限于上述例子，还可举出钽(Ta)、锑(Sb)、银(Ag)等。这些其他的元素可以包含2种以上。一般而言，其他的元素的量相对于作为主成分的元素的总量为15%以下，优选为10%以下。通过利用其他的元素，有时能够实现各种特性的提高、构成及功能等的多样化。为利用其他的元素的复合氧化物时，也优选以具有ABO3钙钛矿结构的方式构成。
[0074]作为非铅系材料，除上述的KNN系的复合氧化物以外，还可举出含有铋(Bi)和铁(Fe)的BFO系的复合氧化物、含有祕(Bi)、钡(Ba)、铁(Fe)和钛(Ti)的BF-BT系的复合氧化物。在使用了 BFO系的复合氧化物的例子中，Bi位于A位，Fe、Ti位于B位，其组成式例如表示为BiFeO3t3在使用了BF — BT系的复合氧化物的例子中，B1、Ba位于A位，Fe、Ti位于B位，其组成式例如表示为(B1、Ba)(Fe、Ti)03。
[0075]BFO系的复合氧化物、BF — BT系的复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系的复合氧化物、BF—BT系的复合氧化物可以含有构成KNN系的复合氧化物的元素。
[0076]压电体层70可以将非铅系材料以外的复合氧化物作为主成分而构成。作为非铅系材料以外的复合氧化物，例如，可举出锆钛酸铅(Pb (Zr、Ti) O3; PZT)系的复合氧化物。由此，容易实现压电元件300的位移提高。当然，PZT系的复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]这些具有AB03型I丐钛矿结构的复合氧化物还包括因缺少.过量而从化学计量的组成偏离的复合氧化物、元素的一部分被其他的元素取代而得的复合氧化物。即，只要能获得钙钛矿结构，允许晶格失配、氧缺失等引起的不可避免的组成的偏离，自然也允许元素的部分置换等。
[0078]包括形成于基板10的空间12、振动板50、压电元件300而构成超声波传感器元件310。通过在超声波传感器元件310除了设置上述的包围板40之外还设置声音调整层13以及透镜部件20而形成为超声波传感器I。
[0079]声音调整层13设置于空间12内。通过设置声音调整层13，能够防止在压电元件300以及测定对象物之间声阻抗急剧变化的情况，其结果是，能够防止超声波的传播效率降低的情况。声音调整层13例如能够由娃树脂构成，但并不限定于上述的例子，能够适当地选择使用与超声波传感器的用途等对应的材料。
[0080]透镜部件20设置于基板10的与振动板50相反的一侧。透镜部件20具有聚焦超声波的作用。在以电子对焦法聚焦超声波的情况等下，透镜部件20可以省略。此处，上述的声音调整层13还具有透镜部件20与基板10的粘合功能。在透镜部件20与基板10(隔壁11)之间夹设声音调整层13而构成超声波传感器I。
[0081 ]在将透镜部件20安装于超声波传感器元件310时、安装透镜部件20后确保该透镜部件20的紧贴性时，有时对透镜部件20向声音调整层13侧进行按压。在不具备透镜部件20的情况、代替透镜部件而设置有其他部件的情况下，为了确保各部分的紧贴性，有时也从声音调整层13侧对振动板50赋予按压力。在超声波传感器I中，构成为具备支承部件41，因此，如上所述，即便规定的外压施加于振动板50，也能够抑制产生结构形变的情况，从而能够确保高可靠性。
[0082]在超声波传感器I中，构成为振动板50的与压电元件300相反的一侧成为超声波的通过区域的CAV面型。由此，能够实现来自外部的水分极难到达压电元件300的结构，因此成为使用时的电安全性优秀的超声波传感器I。并且，在压电元件300与振动板50为薄膜的情况下，相比振动板50具有充分厚度的包围板40的缘部40a与支承部件41以包围压电元件300的方式与振动板50接合或者粘合。因此，还能够提高制造时的处理性能，从而超声波传感器I的操作变得容易。
[0083](制造方法)
[0084]接下来，对超声波传感器I的制造方法的一个例子进行说明。图5?图9表示超声波传感器的制造方法的各工序。图5?图6分别包括从第3方向Z观察的俯视图和a — a'线剖视图。图7?图9分别包括从第3方向Z观察的俯视图'a — a,线剖视图以及b — t/线剖视图<^一a7线沿着第I方向X，b—I/线沿着第2方向Y。
[0085]其中，图5?图6表示包围板40侧的制造方法的工序，图7?图9表示超声波传感器元件310侧的制造方法的工序。图5?图6的工序与图7?图9的工序的顺序也可以相反。
[0086]首先，如图5所示，在包围板用硅片140(40)的表面设置抗蚀层(未图示)，将该抗蚀层刻画图案为规定形状而形成掩膜53。此处，在包围板用硅片140(40)的缘部40a形成掩膜54，并且形成从掩膜54连续向第2方向Y延伸的掩膜55。
[0087 ]然后，如图6所示，经由掩膜5 3对包围板用硅片140 (40)进行使用了 KOH等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)。由此，制成形成有支承部件41以及压电元件保持部32的包围板40。之后，除去残留于缘部40a上的掩膜54、残留于支承部件41上的掩膜55。应予说明，在图6的(a)中夸大图示了一部分粗加工剖面。如上所述，湿式蚀刻比例如干式蚀刻加工精度差，但能够在短时间内切削多的区域。
[0088]另一方面，在基板用硅片110(10)的表面通过热氧化等形成由氧化硅构成的弹性膜51。之后，在弹性膜51上成膜锆，并通过热氧化等形成由氧化锆构成的绝缘体层52。
[0089]然后，如图7所示，在绝缘体层52上通过溅射法、蒸镀法等形成第I电极60，并以第I电极60形成为规定的形状的方式进行刻画图案。接下来，在第I电极60以及振动板50上层叠压电体层70。压电体层70例如对将金属配合物溶解.分散于溶剂而成的溶液进行涂覆干燥，并且通过以高温烧制而得到由金属氧化物构成的压电材料，能够使用CSD(化学溶液沉积:Chemical Solut1n Deposit 1n)法形成。并不限定于CSD法，例如也可以使用溶胶一凝胶法、激光烧蚀法、溅射法、脉冲.激光.沉积法(PLD法)、CVD法、气溶胶.沉积法等。
[0090]接下来，如图8所示，按照压电元件300对压电体层70进行刻画图案。接下来，在压电体层70、第I电极60、以及振动板50(振动板50的第2面50b)的表面通过溅射法、热氧化等形成第2电极80。然后，如图9所示，对第2电极80进行刻画图案，一边按照第2方向Y的列使之分割一边按照第I方向X的列使之连续。由此，在振动板50的第2面50b上形成包括第I电极60、压电体层70、以及第2电极80的压电元件300。
[0091]并且，在基板用硅片110(10)的与压电元件300相反的一侧的表面设置抗蚀层(未图示)，将该抗蚀层刻画图案为规定形状而形成掩膜(未图示)。然后，经由该掩膜对基板用硅片110(10)进行使用了KOH等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)。由此，在基板10的与压电元件300对置的区域形成空间12。
[0092]之后，依次设置各部件，制成图2等所示的超声波传感器Iο即，以支承部件41不与压电元件300重叠的方式，利用粘合剂将包围板40以及支承部件41与超声波传感器元件310侧接合。然后，在空间12内设置声音调整层13，并经由该声音调整层13接合透镜部件20。也可以在设置了声音调整层13以及透镜部件20之后，将包围板40以及支承部件41与超声波传感器元件310侧接合。
[0093](实施方式2)
[0094]图10的(a)是超声波传感器的基板的俯视图。图10的(b)是图10的(a)的A—A’线剖视图。以下，以适当地省略与目前为止的实施方式相同的部分的方式对超声波传感器IA进行说明。
[0095]超声波传感器IA沿第I方向X并列设置有沿第2方向Y延伸的梁形状的支承部件41。由此，能够在遍及第I方向X以及第2方向Y的大范围内支承振动板50。因此，能够确保更高可靠性。支承部件41设置于不与压电元件300重叠的位置。因此，即便在支承部件41沿第I方向X并列设置的情况下，也避免压电元件300被支承部件41过度约束的情况。
[0096]在超声波传感器IA中，按照相邻的压电元件300设置有梁形状的支承部件41。如上所述，并不限定支承部件41的个数。通过增多支承部件41的个数，能够均匀地支承振动板50。另一方面，若支承部件41的个数增多，则有时需要高加工精度。
[0097](实施方式3)
[0098]图11是超声波传感器的基板的俯视图。图12的(a)是图11的A—A’线剖视图。图12的(b)是图11的B — B’线剖视图。以下，以适当地省略与目前为止的实施方式相同的部分的方式对超声波传感器IB进行说明。
[0099]超声波传感器IB的支承部件41B具有仅在第3方向Z与包围板40接触的柱形状。若为柱形状的支承部件41B，则容易对准特定的位置来支承振动板50。例如，此处的支承部件41B以支承振动板50的中心位置C(参照图1等)的方式设置。
[0100]柱形状的支承部件41B通过对包围板40进行干式蚀刻而制成。干式蚀刻比例如湿式蚀刻需要加工时间，但无需担心硅衬底的结晶面方位而能够以高精度进行加工，因此是适于制成柱形状的支承部件41B的方法。应予说明，即便是上述的梁形状的支承部件41，在其数量非常多的情况下也需要高加工精度，因此在这种情况下干式蚀刻有利。
[0101]接下来，对超声波传感器IB的制造方法的一个例子进行说明。图13?图14表示超声波传感器的制造方法的各工序，分别由从第3方向Z观察的俯视图、a — a'线剖视图以及b-b7线剖视图构成。a—Y线沿着第I方向X，b—I/线沿着第2方向Y。
[0102]超声波传感器IB的制造方法除了通过对柱形状的支承部件41B进行干式蚀刻而制成这点之外，与实施方式I的制造方法相同。因此，此处仅对包围板40侧的制造方法的工序进行说明。
[0103]首先，如图13所示，在包围板用硅片140(40)的表面设置抗蚀层(未图示)，并将该抗蚀层刻画图案为规定形状而形成掩膜53。此处，在包围板用硅片140(40)的缘部40a形成掩膜54，并且从掩膜54非连续地形成掩膜56。
[0104]然后，如图14所示，经由掩膜53对包围板用硅片140(40)进行干式蚀刻。由此，制成形成有支承部件41B以及压电元件保持部32的包围板40。之后，除去残留于缘部40a上的掩膜54、残留于支承部件41B上的掩膜56。除此之外，与实施方式I相同。应予说明，在图14中，与例如图6的(a)的情况相比，以高精度形成加工剖面。如上所述，干式蚀刻比例如湿式蚀刻需要加工时间，但无需担心硅衬底的结晶面方位而能够以高精度进行加工。
[0105](实施方式4)
[0106]图15是超声波传感器的基板的俯视图。以下，以适当地省略与目前为止的实施方式相同的部分的方式对超声波传感器IC进行说明。
[0107]超声波传感器IC沿第I方向X以及第2方向Y的方向并列设置有柱形状的支承部件41B。由此，能够对准特定的位置在大范围内支承振动板50。柱形状的支承部件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设置。
[0108](实施方式5)
[0109](超声波传感器)
[0110]图16是超声波传感器的基板的俯视图。图17的(a)是图16的A—A7线剖视图。图17的(b)是图16的B — B'线剖视图。以下，以适当地省略与目前为止的实施方式相同的部分的方式对超声波传感器ID进行说明。
[0111]超声波传感器ID中的第I电极60以及第2电极80的任一方为能够按照每一列或者每多列进行驱动的独立电极，另一方为共用电极，与该共用电极连接而设置有旁路电极85。此处，第I电极60形成为能够按照每多列进行驱动的独立电极，第2电极80形成为共用电极。
[0112]S卩，在超声波传感器ID中，在第I方向X(切片方向)并列设置有16个超声波传感器元件310，在第2方向Y(扫描)并列设置有64个超声波传感器元件310。第I电极60能够按照沿第I方向X延伸的每4列进行驱动。第2电极80按照沿第2方向Y延伸的每列连续设置。
[0113]旁路电极85具有:沿第2方向Y延伸的第I延伸配置部85a、和从第I延伸配置部85a连续地沿第I方向X延伸的第2延伸配置部85b。在该第2延伸配置部85b连接有沿第2方向Y延伸的第2电极80。第2延伸配置部85b针对沿第I方向X设置有4列第I电极60的情况以与第I延伸配置部85a连结的方式设置。
[0114]通过设置旁路电极85，能够将共用电极的阻抗的增大平均化。在该情况下，成为能够确保尚可靠性，并且还能够提尚超声波的发送效率、接收效率的超声波传感器ID。
[0115]旁路电极85优选使用与第I电极60、第2电极80不同的材料，并优选使用电阻率小的材料，能够举例有金、银、铜、铝等。在超声波传感器ID中，使用金。在形成金的布线的情况下，优选作为基底形成镍铬合金等的基底层。旁路电极85无需为单层，可以为二层以上的层叠膜，在层叠的情况下，优选整体的电阻值形成为比第2电极80小。
[0116]虽未图示，但由于改善第I电极60的延伸配置方向的阻抗的增大，所以除了与第2电极80连续的旁路电极85之外，也可以进一步设置与第I电极60连续的旁路电极(第2旁路电极)。第2旁路电极构成为具备:沿作为第I电极60的延伸配置方向的第I方向X延伸的第I延伸配置部、和将该第I延伸配置部与各列的第I电极连结的第2延伸配置部。
[0117]在旁路电极与第I电极60、第2电极80重叠的区域，旁路电极优选设置于第I电极60、第2电极80的上方。由此，能够提尚制造时的成品率，从而能够进一步实现可罪性的提高。反言之，通过在已经形成有第I电极60、第2电极80的区域上进一步层叠例如金的层，而发挥作为旁路电极的上述的功能。
[0118]旁路电极85可以为薄膜也可以为厚膜。旁路电极85优选其构成材料的杨氏模量、膜厚以及短边侧宽度之积(以下，称为“α值”)比第2电极80的α值大。因此，以厚膜形成旁路电极85容易满足上述的α值的关系。另一方面，若旁路电极85为厚膜，则与振动板50之间的阶梯差增大。因阶梯差的大小，而难以遍及旁路电极85以及振动板50紧贴性良好地设置支承部件41。在该情况下，还能够在包围板40、支承部件41接合的区域不形成旁路电极85(将旁路电极形成为条纹状)。
[0119]在超声波传感器1D，在包围板40的靠压电元件300侧的面40b与振动板50的第2面50b之间，并且在不与压电元件300重叠的位置也设置有支承部件41。此处，设置有沿第2方向Y延伸的梁形状的支承部件41。梁形状的支承部件41沿第I方向X并列设置。即，梁形状的支承部件41以沿着第I电极60的方式设置于相邻的第I电极60之间。
[0120]在超声波传感器ID中，旁路电极85连续设置，而与其上方的部件的有无无关。即，包围板40的缘部40a、支承部件41至少经由旁路电极85与超声波传感器元件310侧接合。
[0121](制造方法)
[0122]接下来，对超声波传感器ID的制造方法的一个例子进行说明。超声波传感器ID的制造方法除了制成有关旁路电极的结构这点之外，与实施方式2的制造方法相同。
[0123]S卩，通过与实施方式2的制造方法相同的方法制成压电元件300。在制成压电元件300之后，成膜镍铬等的基底层与金层，并通过刻画图案制成旁路电极85。形成旁路电极85的工序可以在形成空间12之前也可以在之后。之后，利用粘合剂等将包围板40以及支承部件41与超声波传感器元件310侧接合。
[0124](实施方式6)
[0125]图18是超声波传感器的剖视图。切剖面相当于图16的A—A’线。以下，以适当地省略与目前为止的实施方式相同的部分的方式对超声波传感器IE进行说明。
[0126]超声波传感器IE以除去包围板40的缘部40a、支承部件41接合的区域的方式设置有旁路电极86。即，在超声波传感器IE中，在从第3方向Z观察时，旁路电极86被设置为条纹状。由此，容易将包围板40以及支承部件41与超声波传感器元件310侧接合。另外，包围板40以及支承部件41与超声波传感器元件310的紧贴性不存在因旁路电极85而受到负面影响的担忧。
[0127]超声波传感器IE的制造方法除了制成条纹状的旁路电极86这点之外，与实施方式5的制造方法相同。在包围板40、支承部件41接合的区域不形成旁路电极。由此，制成条纹状的旁路电极86。
[0128](其他实施方式)
[0129]以上，对本发明的一个实施方式进行了说明。但是，本发明的基本结构并不限定上述的方式。上述的实施方式能够相互组合。例如，还能够在具备旁路电极的超声波传感器设置柱形状的支承部件。
[0130]另外，例如，在图2中例示了集合配置有多个超声波传感器元件的方式，但超声波传感器元件只要为多个即可，因此，也可以为两个。本发明以全部CAV面型超声波传感器为对象，还能够应用于发送专用型、接收专用型、发送接收一体型等的任一超声波传感器。
[0131]本发明的超声波传感器能够应用于各种超声波设备。特别是CAV面型超声波传感器与ACT面型超声波传感器相比使用时的电安全性优秀。因此，CAV面型超声波传感器还适合使用于从安全性等这点来看特别忌讳泄漏电流的医用设备例如超声波诊断装置、血压计以及眼压计。
[0132]本发明的超声波传感器能够作为各种压力传感器使用。例如，还能够在打印机等液体喷射装置作为检测墨水的压力的传感器应用。另外，本发明的超声波传感器的结构能够适合应用于超声波马达、压电变压器、振动式除尘装置、压电转换机、超声波发送机以及加速度传感器等。能够利用这种超声波传感器的结构的完成体，例如，搭载有上述的超声波传感器的机器人等也属于超声波设备。
[0133]附图所示的构成要素，S卩，各部分的形状、大小、层的厚度、相对位置关系、重复单位等有时在说明本发明时夸大示出。另外，本说明书的“上”的用语并不限定于构成要素的位置关系为“正上”。例如，“基板上的压电元件”、“振动板上的支承部件”的表现不排除在基板与压电元件之间、振动板与支承部件之间包含其他构成要素的情况。
[0134]附图标记说明
[0135]I…超声波探头；1、1A?IE…超声波传感器;2‘"FPC基板;3…电缆;4…中继基板；5…壳体;6…防水性树脂；10...基板;11...隔壁;12...空间；13...声音调整层;20...透镜部件;40...包围板;40a…包围板的缘部;40b…包围板的压电兀件侧的面；50...振动板;50a…第I面;50b…第2面;51...弹性膜;52...绝缘体层;53?56…掩膜;60...第I电极;70...压电体层；80...第2电极;85...旁路电极;85a...第I延伸配置部;85b…第2延伸配置部;300...压电元件；310…超声波传感器元件。
【主权项】
1.一种超声波传感器，其特征在于， 在将相互正交的两个轴设为X轴以及Y轴，将由所述X轴以及Y轴形成的平面设为XY平面时， 所述超声波传感器具备: 沿着所述XY平面的基板； 多个空间，所述多个空间沿所述X轴方向以及所述Y轴方向中的至少一个方向形成于所述基板； 振动板，其以封闭所述空间的方式设置于所述基板上，并具有靠所述基板侧的第I面以及与该第I面对置的第2面； 压电元件，其设置于所述振动板的所述第2面侧中与空间对应的部分，并发送以及/或者接收超声波；以及 包围板，其设置于所述振动板的所述第2面侧，并包围所述压电元件的周围的区域， 在所述包围板的所述压电元件侧的面与所述振动板的所述第2面之间，并且在不与所述压电元件重叠的位置设置有支承部件。2.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于， 所述支承部件具有沿所述X轴方向或者所述Y轴方向中的一个方向延伸的梁形状。3.根据权利要求2所述的超声波传感器，其特征在于， 所述支承部件沿所述X轴方向或者所述Y轴方向中的与所述一个方向相交的另一个方向并列设置。4.根据权利要求1所述的超声波传感器，其特征在于， 在将与所述X轴以及Y轴均正交的轴设为Z轴时， 所述支承部件具有仅在所述Z轴方向与所述包围板接触的柱形状。5.根据权利要求4所述的超声波传感器，其特征在于， 所述支承部件沿所述X轴方向或者所述Y轴方向中的至少一个方向并列设置。6.根据权利要求1?5中的任一项所述的超声波传感器，其特征在于， 所述压电元件构成为包括:形成于所述基板上的第I电极、形成于所述第I电极上的压电体层、以及形成于所述压电体层上的第2电极， 所述第I电极以及所述第2电极的任一方为能够按照每一列或者每多列进行驱动的独立电极，另一方为共用电极， 以与所述第I电极以及第2电极的至少任一方重叠的方式、以及/或者以与所述第2电极连续的方式设置有旁路电极。7.根据权利要求6所述的超声波传感器，其特征在于， 所述旁路电极以除去包围板以及所述支承部件与所述振动板的接合区域的方式设置为条纹状。8.一种超声波传感器的制造方法，其特征在于， 在将相互正交的两个轴设为X轴以及Y轴，将由所述X轴以及Y轴形成的平面设为XY平面时， 所述超声波传感器具备: 沿着所述XY平面的基板； 多个空间，所述多个空间沿所述X轴方向以及所述Y轴方向中的至少一个方向形成于所述基板； 振动板，其以封闭所述空间的方式设置于所述基板上，并具有靠所述基板侧的第I面以及与该第I面对置的第2面； 压电元件，其设置于所述振动板的所述第2面侧中与空间对应的部分，并发送以及/或者接收超声波；以及 包围板，其设置于所述振动板的所述第2面侧，并包围所述压电元件的周围的区域， 在所述超声波传感器的制造方法中， 在所述包围板的所述压电元件侧的面与所述振动板的所述第2面之间，并且在不与所述压电元件重叠的位置设置支承部件。9.根据权利要求8所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于， 通过湿式蚀刻制作具有沿所述X轴方向或者所述Y轴方向中的一个方向延伸的梁形状的所述支承部件。10.根据权利要求8所述的超声波传感器的制造方法，其特征在于， 在将与所述X轴以及Y轴均正交的轴设为Z轴时， 通过干式蚀刻制作具有仅在所述Z轴方向与所述包围板接触的柱形状的所述支承部件。
【文档编号】H01L41/053GK106025058SQ201610157590
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】大桥幸司, 小岛力, 岩井光
【申请人】精工爱普生株式会社