本發(fā)明涉及壓電元件及其制造方法、超聲波探頭、超聲波測(cè)定裝置。
背景技術(shù):
使用將壓電元件用作超聲波的發(fā)送用及接收用的換能器的超聲波探頭及超聲波測(cè)定裝置,測(cè)定生物體信息,進(jìn)行血管機(jī)能的評(píng)價(jià)、血管疾患的判斷。例如,專利文獻(xiàn)1中公開了使用通過處理所接收的超聲波的振幅信息得到的來自生物體組織的反射波信號(hào)強(qiáng)度,以及通過處理所接收的超聲波的相位信息得到的生物體組織的移動(dòng)速度,自動(dòng)檢測(cè)血管壁的超聲波探頭及超聲波測(cè)定裝置。
例如在專利文獻(xiàn)2中公開的那樣,在這種超聲波探頭及超聲波測(cè)定裝置中使用的壓電元件在薄膜上的振動(dòng)膜上層疊壓電體而制成。
【現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)】
【專利文獻(xiàn)】
專利文獻(xiàn)1:日本特開2008-173177號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特開昭60-206315號(hào)公報(bào)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明要解決的技術(shù)問題
那么,如果著眼于壓電元件的接收靈敏度,則如何提高超聲波的接收時(shí)產(chǎn)生的發(fā)生電荷就很重要。作為其中一種方法,想到了薄化振動(dòng)膜,但由于制造技術(shù)上的制約薄化也有限度,通過振動(dòng)膜的薄化來提高靈敏度的方法已到達(dá)界限。
本發(fā)明的目的在于提供與振動(dòng)膜的薄化不同的提高壓電元件的接收靈敏度的新技術(shù)。
解決技術(shù)問題的技術(shù)手段
為解決上述課題的第一發(fā)明是一種壓電元件,具備壓電體以及振動(dòng)膜,所述振動(dòng)膜將各向異性的單晶硅作為振動(dòng)用材料,所述各向異性具有泊松比相對(duì)高的位向和泊松比相對(duì)低的位向,所述泊松比相對(duì)低的位向稱為“低泊松比位向”,以所述低泊松比位向成為沿著所述壓電體的高伸縮方向的方向的方式層疊所述壓電體和所述振動(dòng)膜,所述高伸縮方向是所述壓電體根據(jù)支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的伸縮程度相對(duì)高的方向和相對(duì)低的方向中相對(duì)高的方向。
以壓電體的高伸縮方向沿著振動(dòng)膜的低泊松比位向的方式制成的振動(dòng)膜,相比于沿著這之外的方向制成的振動(dòng)膜,可以說在拉緊狀態(tài)下對(duì)超聲波的響應(yīng)性變好。因此,根據(jù)第一發(fā)明,即便切出振動(dòng)膜的材料的薄厚相同,也能制成接收敏感度高的壓電元件。
更具體而言,作為第二發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇001],所述低泊松比位向?yàn)?imgfile="bda0001138791940000022.gif"wi="126"he="85"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>或[110]。
另外,作為第三發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇010],所述低泊松比位向?yàn)閇101]或
另外,作為第四發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇100],所述低泊松比位向?yàn)閇011]或
另外,作為第五發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇110],所述低泊松比位向?yàn)?imgfile="bda0001138791940000032.gif"wi="635"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的任一個(gè)。
另外,作為第六發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇011],所述低泊松比位向?yàn)?imgfile="bda0001138791940000033.gif"wi="635"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的任一個(gè)。
另外,作為第七發(fā)明,能夠構(gòu)成為第一發(fā)明的壓電元件的所述單晶硅的晶向?yàn)閇101],所述低泊松比位向?yàn)?imgfile="bda0001138791940000034.gif"wi="632"he="86"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的任一個(gè)。
第八發(fā)明是超聲波探頭,具備用于接收超聲波的第一至第七發(fā)明的任一發(fā)明的壓電元件。
根據(jù)第八發(fā)明,能實(shí)現(xiàn)接收敏感度更高的超聲波探頭。
第九發(fā)明是超聲波測(cè)定裝置,具備第八發(fā)明的超聲波探頭。
根據(jù)第九發(fā)明,能實(shí)現(xiàn)接收敏感度更高的超聲波測(cè)定裝置。
第十發(fā)明是一種壓電元件的制造方法,包括以下工序:從各向異性的單晶硅晶圓切出用于振動(dòng)膜的振動(dòng)用材料,所述各向異性具有泊松比相對(duì)高的位向和泊松比相對(duì)低的位向,所述泊松比相對(duì)低的位向稱為“低泊松比位向”;以及以所述低泊松比位向成為沿著壓電體的高伸縮方向的方向的方式層疊所述壓電體和所述振動(dòng)膜,所述高伸縮方向是所述壓電體根據(jù)支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的伸縮程度相對(duì)高的方向和相對(duì)低的方向中相對(duì)高的方向。
根據(jù)第十發(fā)明,能夠制造具有第一發(fā)明的作用效果的壓電元件。
附圖說明
圖1是示出第一實(shí)施方式的超聲波測(cè)定裝置的系統(tǒng)構(gòu)成例的圖。
圖2是示出第一實(shí)施方式的超聲波探頭的構(gòu)成例的圖。
圖3是示出第一實(shí)施方式的第二壓電元件的構(gòu)成例的俯視圖。
圖4是圖3中的a-a截面圖。
圖5是圖3中的b-b截面圖。
圖6是示出單晶硅的[001]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
圖7用于說明第一實(shí)施方式的第二壓電元件的制造工序的流程圖。
圖8是用于說明第一實(shí)施方式的[001]晶向硅晶圓的硅層及振動(dòng)膜的圖案化的位置關(guān)系的概念圖。
圖9是表示從[001]晶向硅晶圓使振動(dòng)膜的長度方向沿著以下兩個(gè)晶向制成的第二壓電元件的傳感器靈敏度的不同的試驗(yàn)結(jié)果的圖表,即1)使振動(dòng)膜的長度方向沿著晶向[110]制成的第二壓電元件以及2)使振動(dòng)膜的長度方向沿著晶向[100]制成的第二壓電元件。
圖10是示出單晶硅的[110]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
圖11是用于說明第二實(shí)施方式的[110]晶向硅晶圓的硅層及振動(dòng)膜的圖案化的位置關(guān)系的概念圖(其一)。
圖12是用于說明第二實(shí)施方式的[110]晶向硅晶圓的硅層及振動(dòng)膜的圖案化的位置關(guān)系的概念圖(其二)。
圖13是示出第三實(shí)施方式的第二壓電元件的構(gòu)成例的俯視圖。
圖14是圖13的c-c截面圖。
圖15是圖13的d-d截面圖。
圖16是示出第二壓電元件的構(gòu)成的變形例的截面圖(其一)。
圖17是示出第二壓電元件的構(gòu)成的變形例的截面圖(其二)。
圖18是示出第二壓電元件的構(gòu)成的變形例的截面圖(其三)。
圖19是示出單晶硅的[010]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
圖20是示出單晶硅的[100]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
圖21是示出單晶硅的[011]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
圖22是示出單晶硅的[101]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表。
具體實(shí)施方式
[第一實(shí)施方式]
圖1是示出本實(shí)施方式的超聲波測(cè)定裝置10的系統(tǒng)構(gòu)成例的圖。
超聲波測(cè)定裝置10是通過向被測(cè)定者2發(fā)送超聲波并測(cè)定反射波來測(cè)定被測(cè)定者2的生物體信息的裝置。在本實(shí)施方式中,作為生物體信息的一種,測(cè)定被稱作頸動(dòng)脈3的imt(intimamediathickness:血管的內(nèi)膜中膜復(fù)合體厚度)的血管機(jī)能信息。當(dāng)然,除imt之外,也可以是測(cè)定血管直徑、從血管直徑推定血壓、從血管直徑的變化算出脈搏這些其他的血管機(jī)能信息或生物體信息。另外,測(cè)定對(duì)象不限于人。
超聲波測(cè)定裝置10具有測(cè)定控制裝置20和貼付型超聲波探頭40。
測(cè)定控制裝置20是便攜式個(gè)人電腦,包括兼有用于圖像顯示測(cè)定結(jié)果或操作信息的手段及用于操作輸入的手段的觸摸面板22、在與超聲波探頭40之間控制信號(hào)的收發(fā)的接口電路24、控制基板30。此外,適當(dāng)具備未圖示的內(nèi)置電池等。
控制基板30搭載cpu(centralprocessingunit:中央處理器)31、asic(applicationspecificintegratedcircuit:專用集成電路)、fpga(fieldprogrammablegatearray:現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)各種集成電路之外,還有ic存儲(chǔ)器32、經(jīng)由接口電路24實(shí)現(xiàn)與外部裝置(在本實(shí)施方式中為超聲波探頭40)的數(shù)據(jù)通信的通信ic33??刂苹?0通過在cpu31等執(zhí)行ic存儲(chǔ)器32存儲(chǔ)的控制程序,實(shí)現(xiàn)以超聲波測(cè)定為首的本實(shí)施方式的各種功能。
即,超聲波測(cè)定裝置10通過控制基板30的運(yùn)算處理等,從貼付于被測(cè)定者2的超聲波探頭40向生物體內(nèi)組織發(fā)送/照射超聲波束,接收反射波。然后,通過對(duì)反射波的接收信號(hào)進(jìn)行放大/信號(hào)處理,能生成被測(cè)定者2的生物體內(nèi)構(gòu)造相關(guān)的反射波數(shù)據(jù)。然后,根據(jù)反射波數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)各種生物體信息的連續(xù)的計(jì)測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
圖2是示出本實(shí)施方式的超聲波探頭40的構(gòu)成例的圖,是從向被測(cè)定者2貼付的貼付面(超聲波收發(fā)面)側(cè)觀察的圖。
超聲波探頭40在貼付面?zhèn)染哂惺钩暡ㄌ筋^40裝卸自如地粘著于被測(cè)定者2的皮膚的粘著部42和超聲波傳感器44。
超聲波傳感器44是在超聲波收發(fā)面的長邊方向和短邊方向二維排列多個(gè)超聲波換能器46的集合體。超聲波探頭40以超聲波傳感器44的長邊橫切頸動(dòng)脈3的短軸方向的相對(duì)姿勢(shì)貼付于被測(cè)定者2的皮膚表面。
一個(gè)超聲波換能器46包括第一壓電元件50和第二壓電元件60,第一壓電元件50承擔(dān)超聲波的發(fā)送,第二壓電元件60承擔(dān)反射波的接收。
圖3是示出本實(shí)施方式的第二壓電元件60的構(gòu)成例的俯視圖。圖4是圖3中的a-a截面圖。圖5是圖3中的b-b截面圖。
本實(shí)施方式的第二壓電元件60是根據(jù)壓電體接收的外力(本實(shí)施方式的情況為超聲波)產(chǎn)生電壓的元件。本實(shí)施方式的第二壓電元件60在設(shè)置有空腔部61(打開空腔部61)的俯視為矩形的支承基板62的上表面接合薄膜狀的硅層67。此外,也可以在支承基板62的上表面形成硅層67后形成空腔部61。
硅層67具有跨空腔部61的雙支承梁構(gòu)造(兩端固定支承構(gòu)造)的振動(dòng)膜63。即,以覆蓋空腔部61的方式接合硅層67,沿著俯視矩形的空腔部61的長度方向的邊緣部設(shè)置有兩條縫隙64。這兩條縫隙64正好形成長度方向度過空腔部61的薄板的橋梁構(gòu)造,即薄板的雙支承梁。它成為接收從第二壓電元件60的上方(面向圖3跟前的一側(cè),面向圖4及圖5上側(cè))或下方(面向圖3的里面的一側(cè),面向圖4及圖5下側(cè))輸入的超聲波而振動(dòng)的振動(dòng)膜63。
然后,在振動(dòng)膜63的上表面層疊發(fā)電元件部65。
本實(shí)施方式的發(fā)電元件部65通過上部電極652和下部電極653夾著作為產(chǎn)生壓電效果的主體的壓電體651而構(gòu)成。在本實(shí)施方式中,使用壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛(pzt)作為壓電體651,但也能適當(dāng)選擇其他的壓電材料。
從第一壓電元件50發(fā)出的超聲波在被測(cè)定者2的體內(nèi)反射。第二壓電元件60接收反射波。接收反射波后,一體形成的發(fā)電元件部65及振動(dòng)膜63撓曲,對(duì)應(yīng)該撓曲量的電荷在壓電體651內(nèi)產(chǎn)生,并在上部電極652和下部電極653之間生成電壓。超聲波測(cè)定裝置10通過在測(cè)定控制裝置20對(duì)該電壓進(jìn)行運(yùn)算處理,計(jì)算出生物體信息。
那么,發(fā)電元件部65的接收靈敏度與如何薄化振動(dòng)膜63有關(guān),但由于制造技術(shù)上的制約也有界限。
在此,在本實(shí)施方式中,為了提高發(fā)電元件部65的接收靈敏度,將作為振動(dòng)膜63的薄板材料作為具有根據(jù)位向泊松(poisson)比不同的各向異性的材料。然后,以振動(dòng)膜63的高伸縮方向沿著泊松比相對(duì)低的位向(低泊松比位向)的方式制成第二壓電元件60。振動(dòng)膜63的高伸縮方向依據(jù)振動(dòng)膜63的支承構(gòu)造而定,但本實(shí)施方式的情況下,由于為在兩端支承較長形狀的壓電體651的兩端的構(gòu)造,為長度方向。
圖6是示出單晶硅的[001]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表,記為面向圖6跟前方向成為晶向[001],面向圖6下側(cè)成為晶向[110]。
如圖6所示,單晶硅的[001]晶面內(nèi)的泊松比具有四葉瓣?duì)畹母飨虍愋?。本?shí)施方式中作為振動(dòng)膜63的材料以長度方向沿著泊松比局部降低的晶向[110]及晶向
圖7是用于說明本實(shí)施方式的第二壓電元件60的制造工序的流程圖。本實(shí)施方式的第二壓電元件60的制造工序,首先,通過對(duì)單晶硅鑄錠以[001]晶向進(jìn)行切片來制成產(chǎn)生泊松比各向異性的硅晶圓7(步驟s6)。此外,也可以不是通過單晶硅鑄錠切片來制成硅晶圓7而通過其他方法買入[001]晶向的硅晶圓等來準(zhǔn)備。
接著,在該硅晶圓7使振動(dòng)膜63的長度方向沿著低泊松比位向,圖案化第二壓電元件60,切出包含作為振動(dòng)膜63的材料的第二壓電元件60的硅層67(步驟s8)。然后,層疊壓電體層651和振動(dòng)膜63而制成包含上部電極652及下部電極653第二壓電元件60(步驟s10)。
圖8是用于說明本實(shí)施方式的[001]晶向硅晶圓7的、包含振動(dòng)膜63的硅層67的圖案化的位置關(guān)系的概念圖。
在圖8中,在[001]晶向硅晶圓7中,在對(duì)應(yīng)于晶向[110]及晶向
此外,在圖8中,為了容易理解,用于一第二壓電元件60的硅層67的大小表示為比實(shí)際的大。
圖9是表示從[001]晶向硅晶圓7制成的第二壓電元件60a與從[001]晶向硅晶圓7制成的第二壓電元件60b的傳感器靈敏度不同的試驗(yàn)結(jié)果的圖表,其中,1)使振動(dòng)膜63的長度方向沿著晶向[110](低泊松比位向)制成的第二壓電元件60a,以及2)使振動(dòng)膜63的長度方向沿著晶向[100](高泊松比位向)制成的第二壓電元件60b。如圖9所示,即便是由相同厚度的硅晶圓7制成的振動(dòng)膜,使長度方向沿著晶向[110](低泊松比位向)制成的第二壓電元件60a,相比于沿著晶向[100](高泊松比位向)制成的第二壓電元件60b,對(duì)超聲波的響應(yīng)性約提高1.3倍。
以上,根據(jù)本實(shí)施方式,能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)膜63的厚度保持不變而提高第二壓電元件60的響應(yīng)性的高靈敏度傳感器。
此外,本實(shí)施方式的第二壓電元件60的層疊構(gòu)造,但還可以采用在上表面?zhèn)冗€設(shè)有薄膜片層的構(gòu)成。
[第二實(shí)施方式]
接著,說明適用本發(fā)明的第二實(shí)施方式。
本實(shí)施方式基本上與第一實(shí)施方式同樣地執(zhí)行,使用的硅晶圓的晶向不同,包含振動(dòng)膜63的硅層67的圖案化的方向不同。此外,下文中主要敘述與第一實(shí)施方式的差異,相同的構(gòu)成要素賦予與相同的符號(hào),省略說明。
圖10是示出單晶硅的[110]晶面內(nèi)的泊松比的各向異性的例子的圖表,記為面向圖10跟前方向成為晶向[110],圖10下側(cè)的晶向成為
如圖10所示,硅[110]晶面內(nèi)的泊松比具有四葉瓣?duì)畹母飨虍愋?。因此,在本?shí)施方式中,以振動(dòng)膜63的長度方向沿著泊松比局部低的晶向
圖11及圖12是用于說明[110]晶向硅晶圓7b的包含振動(dòng)膜63的硅層67的圖案化的位置關(guān)系的概念圖。
在[110]晶向硅晶圓7b上,在對(duì)應(yīng)晶向
在圖11中,示出了在晶向
此外,在圖10中,晶向
在第二實(shí)施方式中,和第一實(shí)施方式同樣地,能實(shí)現(xiàn)振動(dòng)膜63的厚度保持不變而提高第二壓電元件60的響應(yīng)性的高靈敏度傳感器。
[第三實(shí)施方式]
接著,說明適用本發(fā)明的第三實(shí)施方式。
本實(shí)施方式基本上與第一實(shí)施方式同樣地實(shí)現(xiàn),但第二壓電元件60的構(gòu)造不同。此外,下文中主要敘述與第一實(shí)施方式的差異,相同的構(gòu)成要素賦予相同的符號(hào),省略說明。
圖13是示出本實(shí)施方式的第二壓電元件60c的構(gòu)成例的俯視圖。圖14是圖13的c-c截面圖。圖15是圖13的d-d截面圖。在本實(shí)施方式的第二壓電元件60c中,振動(dòng)膜63形成為對(duì)于空腔部61延伸設(shè)置薄板的單支承梁構(gòu)造。
包含振動(dòng)膜63的硅層67的硅晶圓7的圖案化和第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式相同。
根據(jù)本實(shí)施方式,可以得到與第一方式相同的效果。該構(gòu)成優(yōu)選適用于將適用本發(fā)明的壓電元件作為加速度傳感器應(yīng)用的情況、或作為能量收獲元件應(yīng)用的情況。
[變形例]
上文說明了適用本發(fā)明的實(shí)施方式,但能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行構(gòu)成要素的追加/省略/變更。
[其一]
例如,在上述實(shí)施方式中,將振動(dòng)膜63作為硅的單層構(gòu)造,但如圖16的振動(dòng)膜長度方向截面圖(相當(dāng)于圖5)所示,也可以為在與發(fā)電元件部65之間具有氧化鋯層68或二氧化硅層69的多層構(gòu)造。
[其二]
另外,在上述實(shí)施方式中,將支承基板62和硅層67用作不同材料,但如圖17的振動(dòng)膜長度方向截面圖所示,可以將支承基板62和硅層67用作相同材料,也可以通過蝕刻等制成空腔部61。
[其三]
并且,在上述實(shí)施方式中,在振動(dòng)膜63的周圍設(shè)置了縫隙64,但如圖18的截面圖(相當(dāng)于圖4)所示,也可以作為省略縫隙64的構(gòu)成。例如,如果將振動(dòng)膜63作為俯視下矩形,則能夠稱為以支承基板62支承該四片的支承構(gòu)造。此時(shí),由于受到外力時(shí)的高伸縮方向成為振動(dòng)膜63(壓電體651)的短邊方向,該方向以沿著低泊松比位向的方式制成/層疊振動(dòng)膜63即可。同樣的方式也能夠適用于圖16及圖17的構(gòu)成。
[其四]
并且,在上述實(shí)施方式中,一超聲波換能器46構(gòu)成為分別具有發(fā)送用的第一壓電元件50和接收用的第二壓電元件60,但當(dāng)然也可以構(gòu)成為第二壓電元件60兼有發(fā)送用途而不使用第一壓電元件50的構(gòu)成。
[其五]
另外,在上述實(shí)施方式中,將振動(dòng)膜63的材料作為單晶硅,但如果是通過能在偏角方向具有泊松比的各向異性的結(jié)晶位向面制成薄板的材料,也可以是其他物質(zhì)。例如,也能利用砷化鎵等和硅相同碳元素族的其他元素(第14族元素)的材料等。
[其六]
并且,第一實(shí)施方式也能適用于晶向[010]的單晶硅及晶向[100]的單晶硅。
即,單晶硅的[010]晶面內(nèi)的泊松比也如圖19所示具有各向異性。因此,也可以長度方向成為沿著泊松比局部變低的晶向[101]及晶向
同樣地,單晶硅的[100]晶面內(nèi)的泊松比也如圖20所示,具有各向異性。因此,也可以沿著長度方向?yàn)椴此杀染植孔兊偷木騕011]及晶向
[其七]
并且,第二實(shí)施方式也能適用的晶向[011]單晶硅及晶向[101]的單晶硅。
即,單晶硅的[011]晶面內(nèi)的泊松比也如圖21所示具有各向異性。因此,也可以長度方向沿著泊松比局部變低的晶向
同樣地,單晶硅的[101]晶面內(nèi)的泊松比也如圖22所示具有各向異性。因此,也可以沿著長度方向?yàn)椴此杀染植孔兊偷木?imgfile="bda0001138791940000137.gif"wi="149"he="85"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>晶向
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