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Dokumentenidentifikation DE102006007494A1 31.08.2006
Titel Ultraschallelement
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Sugiura, Makiko, Kariya, Aichi, JP;
Itoh, Tomoki, Kariya, Aichi, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Anmeldedatum 17.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006007494
Offenlegungstag 31.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.08.2006
IPC-Hauptklasse H04R 17/00(2006.01)A, F, I, 20060217, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81B 3/00(2006.01)A, L, I, 20060217, B, H, DE   B81B 7/02(2006.01)A, L, I, 20060217, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Ultraschallelement (100) weist eine Membran (M) auf, welche als dünnwandiger Abschnitt eines Substrats (10) ausgebildet ist und auf der ein piezoelektrischer Vibrator (21) ausgebildet ist. Der piezoelektrische Vibrator (21) weist einen piezoelektrischen Dünnfilm (2) und Metallelektrodenfilme (3a, 3b) auf, welche sandwichartig übereinander gestapelt sind. Der piezoelektrische Vibrator (21) ist mit der Membran (M) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz in Resonanz. Ein Aushöhlungsmuster (2a) ist in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) ausgebildet, um den piezoelektrischen Vibrator (21) in eine Mehrzahl von Abschnitte zu unterteilen, wobei das Aushöhlungsmuster (2a) in einem Bereich entsprechend einem belastungskonzentrierten Bereich (Pc und/oder Ph) ausgebildet ist, der bei Vibrationen der Membran (M) in diametralen Richtungen hiervon auftritt. Die Membran (M) kann in Antwort auf Vibrationen des piezoelektrischen Vibrators (21) einfach verformt werden, so dass Ultraschall mit höherem Schalldruck abgegeben werden kann.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallelement (oder ein Ultraschallwellenelement) mit einem piezoelektrischen Vibrator, der auf einer Membran (oder einer Diaphragma) ausgebildet ist, und in der Lage ist, bei einer bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband mit der Membran in Resonanz zu gelangen; insbesondere betrifft die Erfindung ein Ultraschallelement, welches für eine Hinderniserkennung und/oder andere Zwecke auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugen verwendbar ist.

Ein Ultraschallsensierungsgerät, welches in oder an einem Fahrzeug, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, angeordnet ist, und zur Erkennung einer Distanz zwischen dem Fahrzeug und umgebenden Hindernissen zum Zeitpunkt des Einparkens oder der Kurvenfahrt zu dient, ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung 2001-16694 beschrieben. Dieses Ultraschallsensierungsgerät ist aufgebaut aus einem Ultraschallelement zur Emission oder Abgabe von Ultraschall (Ultraschallwellen) und einem anderen Ultraschallelement zum Empfang hiervon (oder in manchen Fällen wird ein Ultraschallelement gemeinsam für die Funktionen sowohl der Emission als auch des Empfangs von Ultraschall verwendet), wobei der Ultraschall von dem Emissionselement emittiert wird und dann der von einem Hindernis reflektierte Ultraschall vom Empfangselement empfangen wird. Der Schalldruck, die Zeitverzögerung und die Phasenverschiebung der vom Empfangselement empfangenen Ultraschallwellen werden verwendet, eine Richtung zu erkennen, in der das Hindernis vorhanden ist, sowie die Distanz zu dem Hindernis und/oder zur Beurteilung, wie weit Vorsprünge von dem Hindernis vorstehen bzw. wie tief Vertiefungen hierin sind.

Ein Ultraschallsensierungselement, bei dem eine vibrierende Vorrichtung aus einem piezoelektrischen Dünnfilm auf einer Membran ausgebildet ist, welche einen Dünnfilmabschnitt eines Substrats bildet, hat in jüngster Zeit Aufmerksamkeit als Empfangselement zur Verwendung bei dem obigen Ultraschallsensierungsgerät zur Hinderniserkennung und/oder für andere Zwecke erregt. Das Ultraschallsensierungselement mit der Membranstruktur lässt sich mittels einer Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnologie herstellen und sei nachfolgend als MEMS-Ultraschallsensierungselement bezeichnet (MEMS = Micro Electro Mechanical System). Das MEMS-Ultraschallsensierungselement und ein Ultraschallreihensensor, der die Sensierungselemente verwendet, sind beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung 2003-284182 beschrieben.

Die 10A und 10B der beigefügten Zeichnung sind vereinfachte Ansichten eines Ultraschallelements, wie es in der obigen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-284182 beschrieben ist, wobei 10A eine schematische Draufsicht auf das Ultraschallsensierungselement 90 ist und 10B eine Querschnittsdarstellung entlang der strichpunktierten Linie 10B-10B in 10A ist.

Das Ultraschallelement 90 der 10A und 10B ist hergestellt unter Verwendung eines Halbleitersubstrats 10 mit einer SOI-Struktur (SOI = Silicon On Insulator). Im Substrat 10 bezeichnen die Bezugszeichen 1a, 1b, 1c und 1d jeweils eine erste Halbleiterschicht (ein Tragsubstrat), einen vergrabenen Oxidfilm, eine zweite Halbleiterschicht und einen Schutzoxidfilm. Ein piezoelektrischer Vibrator 20 ist auf einer Membran M ausgebildet, die als Dünnfilmabschnitt des Substrats 10 durch eine Halbleitermikrobearbeitungstechnologie ausgebildet ist, um die Membran M vollständig abzudecken. Der piezoelektrische Vibrator 20 hat einen Aufbau, bei dem ein piezoelektrischer Dünnfilm 2 zwischen Metallelektrodenfilmen 3a und 3b eingeschlossen ist. Das Ultraschallelement 90 gemäß den 10A und 10B empfängt von dem Hindernis reflektierten Ultraschall als Ergebnis davon, dass der piezoelektrische Vibrator 20, sowie die Membran M mit dem Ultraschall bei einer bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband in Resonanz sind.

Das MEMS-Ultraschallelement 90 der 10A und 10B kann mit geringer Größe und zu niedrigen Kosten hergestellt werden, auch dann, wenn eine Mehrzahl von Ultraschallelementen auf dem Substrat 10 aufgereiht ist und weiterhin macht es die Reihenkonfiguration möglich, nicht nur eine Distanzmessung, sondern auch eine zweidimensionale Messung (2D) und eine dreidimensionale Messung (3D) durchzuführen. Somit befindet sich ein Ultraschallreihensensor, der ein MEMS-Ultraschallelement 90 gemäß den 10A und 10B verwendet, in der Entwicklung.

Andererseits ist das MEMS-Ultraschallelement 90 gemäß den 10A und 10B ein Ultraschallelement zum ausschließlichen Gebrauch beim Empfang und ist folglich zur Zeit für Emissionszwecke ungeeignet, da es Schwierigkeiten bei der Ausgabe von Ultraschallwellen mit ausreichendem Schalldruck gibt. Die Erkennungsfähigkeit zwischen 1,5 bis 3 Meter ist üblicherweise bei der Hinderniserkennung im Gebrauch mit Kraftfahrzeugen notwendig, wobei die Ultraschallwellen in Luft innerhalb der Umgebung zwischen 3 bis 6 Meter abgestrahlt und aufgespreizt (verteilt) werden. Da die Dämpfung oder Schwächung von Ultraschallwellen in Luft höher ist, nimmt das S/N-Verhältnis (Signal/Rauschabstand) beim Empfang des reflektierten Ultraschalls ab. Daher ist es praktisch unmöglich, ein Hindernis zu erkennen, ohne dass der Schalldruck des zu emittierenden Ultraschalls verbessert wird. Aus diesen Gründen ist es schwierig, den gleichen Aufbau wie bei dem Ultraschallelement 90 gemäß den 10A und 10B für ein Ultraschallelement zur Emission von Ultraschall zu verwenden. Tatsächlich wird gemäß der Beschreibung der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-28418 ein Ultraschallemissionselement (eine Emissionsvorrichtung) großer Größe separat eingebaut, um eine Ultraschallsensierungsanlage zu bilden. Mit dem separaten Einbau des Emissionselements und des Empfangselements, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-28418 beschrieben, erhöhen sich die Herstellungskosten und ähnlich nimmt das Gewicht zu und aufgrund der größeren Ausgestaltung ergeben sich auch Design- oder Gestaltungsschwierigkeiten.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Probleme gemacht und es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallelement zu schaffen, bei dem ein piezoelektrischer Vibrator auf einer Membran ausgebildet ist, und in Resonanz mit der Membran in einem bestimmten Ultraschallfrequenzband sein kann und weiterhin Ultraschall mit ausreichendem Schalldruck zur Verwendung als Emissionselement emittieren kann.

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Vibrator auf einer Membran ausgebildet, welche als dünnwandiger Abschnitt eines Substrats ausgebildet ist, wobei der piezoelektrische Vibrator die Membran abdeckt und ein piezoelektrischer Dünnfilm zwischen Metallelektrodenfilmen eingeschlossen ist. Der piezoelektrische Vibrator ist bei einer bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband in Resonanz mit der Membran und ein Aushöhlungsmuster ist teilweise in dem piezoelektrischen Dünnfilm ausgebildet, um den piezoelektrischen Vibrator in eine Mehrzahl von Abschnitten zu unterteilen, wobei das Aushöhlungsmuster in einem Bereich entsprechend einem belastungskonzentrierten Bereich ausgebildet ist, der bei Vibrationen der Membran in diametralen Richtungen hiervon auftritt.

Bei dem Ultraschallelement der vorliegenden Erfindung kann die Steifigkeit der Membran in solchen belastungskonzentrierten Bereichen (Bereichen, wo sich Belastungen wie z.B. Spannungen oder dergl. aufbauen und ansammeln) verringert werden, so dass die Membran einfach verformt werden kann. Ultraschall mit ausreichend Schalldruck kann daher ausgegeben werden und ein solches Ultraschallelement kann als Ultraschallemissionselement verwendet werden. Das Ultraschallelement kann nicht nur als das Emissionselement verwendet werden, sondern auch als Ultraschallempfangselement, welches hohe Wandlerleistung hat.

Das obige Ultraschallelement kann als ein Ultraschallelement mit einem höheren Ausgang im Schalldruck hergestellt werden, ohne dass die Größe des Elements erhöht werden muss und kann somit zu geringen Kosten und mit geringer Größe hergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht für den Fall, dass eine Ebenenform der Membran eine Polygonform im Ultraschallelement hat, der belastungskonzentrierte Bereich einer Nähe einer Mitte der Polygonform und einer Nähe einer jeden Mitte der jeweiligen Kanten der Polygonform. Folglich können die folgenden Aushöhlungsmuster angewendet werden:

  • – Beispielsweise kann das Aushöhlungsmuster in dem piezoelektrischen Dünnfilm in Kreisform in der Nähe der Mitte der polygonförmigen Membran ausgebildet werden.
  • – Alternativ kann das Aushöhlungsmuster in dem piezoelektrischen Dünnfilm ebenfalls in Polygonform ausgebildet werden, welche die gleiche Anzahl von Kanten wie die Anzahl von Kanten der polygonförmigen Membran hat und in der Nähe der Mitte der polygonförmigen Membran liegt.
  • – Weiterhin kann das Aushöhlungsmuster in dem piezoelektrischen Dünnfilm als ein strahlenförmiges Muster ausgebildet werden, so dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden Mitte der jeweilige Kante verbindet.
  • – Alternativ kann das Aushöhlungsmuster in dem piezoelektrischen Dünnfilm als strahlenförmiges Muster so ausgebildet werden, dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden der jeweiligen Ecken verbindet.
  • – Weiterhin kann das Aushöhlungsmuster in dem piezoelektrischen Dünnfilm in Kreisform in der Nähe der Mitte der kreisförmigen Membran ausgebildet sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann ein Ultraschall empfangendes Element in dem gleichen Substrat zusammen mit, jedoch an einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement ausgebildet werden. Folglich können die Herstellungskosten für die Ultraschallsensierungsvorrichtung niedriger gemacht werden, und es wird einfacher, die Ultraschallsensierungsvorrichtung beispielsweise in ein Kraftfahrzeug einzubauen im Vergleich zu dem Fall, in dem das Emissionselement und das Empfangselement separat hergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein flaches Graben- oder Kerbenmuster teilweise in dem piezoelektrischen Dünnfilm an denjenigen Abschnitten ausgebildet, welche den belastungskonzentrierten Bereichen in den Situationen der Membran in diametralen Richtungen entsprechen, so dass die Steifigkeit der Membran an diesen belastungskonzentrierten Bereichen verringert wird, so dass sich die Membran leichter verformen kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Vibrator in einer Mehrschichtstruktur ausgebildet, in welcher eine Mehrzahl von piezoelektrischen Dünnfilmen und eine Mehrzahl von Metallelektrodenfilmen aufeinander geschichtet sind.

Gemäß diesem Merkmal wird die Verformungsgröße des piezoelektrischen Vibrators erhöht, wenn die Spannung angelegt wird und damit wird die Amplitude der Vibration der Membran entsprechend vergrößert.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Membran und der piezoelektrische Vibrator von dem Substrat auslegerartig gelagert.

Gemäß obigem Merkmal sind die äußeren Umfangsabschnitte der Membran nur teilweise an dem Substrat befestigt. Im Ergebnis können Abschnitte der Membran, welche ein Hindernis bei der Verformung der Membran wären, kleiner gemacht werden und die Membran kann entsprechend der Verformung des piezoelektrischen Vibrators, wenn eine Spannung hieran angelegt wird, in höherem Maße verformt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Membran gebildet durch Abziehen eines Teils von Schichten, welche auf dem Substrat aufeinander gestapelt sind, mittels eines Opferschichtätzens, welches an dem Substrat von einer Seitenoberfläche des Substrast her angewendet wird.

Bei dem Ultraschallelement gemäß der vorliegenden Erfindung sind durch den Prozess der Opferschichtätzung Ätzlöcher um die Membran herum ausgebildet. Die äußeren Umfangsabschnitte der Membran sind damit nur teilweise an dem Substrat befestigt. Folglich können die Abschnitte der Membran, welche ein Hindernis bei der Verformung der Membran sein würden, kleiner gemacht werden und die Membran kann sich erheblich verformen, wenn der piezoelektrische Vibrator durch die angelegte Spannung verformt wird.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

1 eine Darstellung eines Simulationsergebnisses von Belastungserteilungen in Vibrationen einer Membran in diametralen Richtung hiervon, wobei ein Ultraschallelement gemäß den 10A und 10B als Emissionselement angenommen sei;

2 eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 100 gemäß einer ersten Ausführungsform;

2B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie IIB-IIB in 2A;

3A bis 3D jeweils schematische Draufsichten auf jeweilige Ultraschallelemente 90, 100, 101 und 102;

3E eine graphische Darstellung für die untersuchten Schalldrücke der Ultraschallelemente 90, 100, 101 und 102;

4A bis 4F jeweils schematische Draufsichten auf Abwandlungen des Ultraschallelements gemäß der ersten Ausführungsform;

5 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel einer Ultraschallsensierungsvorrichtung 200, bei der das Ultraschallelement 100 angewendet wird;

6 eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform;

6B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie VIB-VIB in 6A;

7A eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 120 gemäß einer dritten Ausführungsform;

7B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie VIIB-VIIB in 7A;

7C eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Abschnitts des mehrschichtigen piezoelektrischen Substrats von 7B;

8A eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 130 gemäß einer vierten Ausführungsform;

8B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie VIIIB-VIIIB in 8A;

9A eine schematische Draufsicht auf das Ultraschallelement 140 gemäß einer fünften Ausführungsform;

9B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie IXB-IXB in 9A;

9C eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie IXC-IXC in 9A;

10A eine schematische Draufsicht auf ein herkömmliches Ultraschallelement 90; und

10B eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie XB-XB in 10A.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Zunächst werden die Gründe erläutert, warum das MEMS-Ultraschallelement 90 gemäß der 10A und 10B als ein Emissionselement oder emittierendes Element nicht verwendbar ist.

Der Grund ist, dass das MEMS-Ultraschallelement 90 der 10A und 10B keinen Ultraschall mit ausreichendem Schalldruck emittieren kann.

Dies führt von der Steifigkeit der Membran M her, welche besteht aus einer zweiten Halbleiterschicht 1c und einem Schutzoxidfilm 1d, sowie von der Steifigkeit eines piezoelektrischen Dünnfilms 2 und Metallelektrodenfilmen 3a und 3b. Die Membran M kann aufgrund der genannten Steifigkeit der Filme nicht ohne weiteres verformt werden, selbst wenn eine Spannung an den piezoelektrischen Vibrator 20 angelegt wird. Im Ergebnis ist eine Vibrationsamplitude der Membran M gering, so dass auch der erzeugte Ultraschalldruck gering ist.

Es kann bei dem Ultraschallelement 90 der 10A und 10B möglich gemacht werden, den Bereich für die Membran M zu erweitern, um die Vibrationsamplitude größer zu machen und/oder die Vibrationsgeschwindigkeit (Frequenz) anzuheben, so dass der Ultraschalldruck erhöht wird. Eine Erweiterung der Membranfläche neigt jedoch dazu, die Membran aufgrund der anliegenden Belastungen zu stark auszulenken oder zu zerstören. Weiterhin führt dies natürlich auch zu einem Kostenanstieg. Wenn die Vibrationgsgeschwindigkeit größer gemacht wird, nimmt die Ultraschallfrequenz entsprechend ebenfalls zu. Je höher die Frequenz des Ultraschalles wird, umso die größer wird die Frequenzdämpfung in Luft. Folglich ist Ultraschall, der bei der Hinderniserkennung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, auf einen Frequenzbereich von einigen 10 kHz bis 200 kHz begrenzt. Insbesondere ist es nicht möglich, die Vibrationsgeschwindigkeit der Membran M wahlweise auf einen höheren Wert durch Erhöhen der Frequenz des Ultraschalls zu heben. Daher ist das einzig verbleibende Mittel zur Erhöhung des Ultraschalldrucks bei dem Ultraschallelement 90 der 10A und 10B, die Vibrationsamplitude der Membran M zu erhöhen.

1 ist eine Darstellung, die ein Simulationsergebnis einer Belastungsverteilung für den Fall von Vibrationen der Membran M in diametralen Richtungen zeigt, welche durch die Doppelpfeile dargestellt sind, um die Vibrationsamplitude der Membran M zu vergrößern, wobei angenommen wird, dass das Ultraschallelement 90 der 10A und 10B als Emissionselement verwendet wird.

Wie in 1 gezeigt, erscheint, wenn diametrale Vibrationen der Membran M des Ultraschallelements 90 der 10A und 10B verliehen werden, wobei die Membran M in Draufsicht eine Quadratform hat, der belastungskonzentrierte Bereich Pc oder der Bereich Pc mit Belastungskonzentrationen in der Nähe des Quadratmittelpunkts, wobei die belastungskonzentrierten Bereiche Ph oder die Bereiche Ph mit Belastungskonzentrationen ebenfalls entlang einer jeden Mitte der Kanten des Quadrates auftreten.

<Erste Ausführungsform>

2A ist eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2B ist eine Schnittdarstellung entlang Linie IIB-IIB, die in 2A strichpunktiert dargestellt ist.

Das Ultraschallelement 100 der 2A und 2B wird hergestellt unter Verwendung des Halbleitersubstrats 10 mit einer SOI-Struktur (Silicon On Insulator). Insbesondere wird ein piezoelektrischer Vibrator 21 auf einer Membran M so ausgebildet, dass die Membran M vollständig abgedeckt ist, welche als Dünnfilmabschnitt (dünnwandiger Abschnitt) des Substrats 10 ausgebildet ist, wobei das Substrat 10 mit der SOI-Struktur eine erste Halbleiterschicht (ein Tragsubstrat) 1a, einen vergrabenen Oxidfilm 1b, eine zweite Halbleiterschicht 1c und einen Schutzoxidfilm 1d aufweist. Die Draufsichtform der Membran M ist quadratisch und eine derartige quadratische Membran M kann problemlos durch eine Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnologie bearbeitet und hergestellt werden. Das Ultraschallelement kann daher zu geringen Kosten erhalten werden. Der piezoelektrische Vibrator 21 des Ultraschallelements 100 ist auf ähnliche Weise in Form einer Struktur gebildet, bei der ein piezoelektrischer Dünnfilm 2 zwischen Metallelektrodenfilmen 3a und 3b eingeschlossen ist. PZT (Bleizirkoniumtitanat), AIN (Aluminiumnitrid), ZnO (Zirkoniumoxid) etc. können für den piezoelektrischen Film 2 verwendet werden. Pt (Platin), Au (Gold), Al (Aluminium) etc. können für die Metallelektrodenfilme 3a und 3b verwendet werden.

Der piezoelektrische Vibrator 21 des Ultraschallelements 100 unterscheidet sich von dem piezoelektrischen Vibrator 20 des Ultraschallelements 90 gemäß den 10A und 10B dahingehend, dass ein teilweise ausgehöhltes Muster als Aushöhlungsmuster 2a in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgebildet ist, so dass der piezoelektrische Dünnfilm 2 in vier Abschnitte unterteilt ist. Das teilweise ausgehöhlte Muster 2a ist in einer Art Kreuz- oder Sternform ausgebildet, wobei die Aushöhlungsabschnitte die Mitte des Quadrates mit jedem der Kantenmittelpunkte des Quadrats der Membran M verbinden, so dass Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 in den belastungskonzentrierten Bereichen oder den Bereichen Pc und Ph wo Belastungskonzentrationen auftreten, und zwar in diametralen Richtungen der Membran M gemäß 1, entfernt sind. Bei dem piezoelektrischen Vibrator 21 des Ultraschallelements 100 ist die untere Metallfilmelektrode 3a als eine Einheit ausgebildet, wohingegen die obere Metallfilmelektrode 3b in vier Abschnitte entsprechend den vier unterteilten Abschnitten des piezoelektrischen Dünnfilms 2 unterteilt ist, welche durch die stern- oder strahlenförmige Musterung 2a, also das Aushöhlungsmuster 2a gebildet werden.

Das Ultraschallelement 100 wird so gestaltet, dass der piezoelektrische Vibrator 21 mit der Membran M in einem bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenzbereich oder bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz in Resonanz ist. Wenn eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz an und zwischen die Metallelektrodenfilme 3a und 3b angelegt wird, oszilliert der piezoelektrische Dünnfilm 2 durch einen Umkehrspannungseffekt, so dass die Membran M verformt wird, um Luft in ihrer Umgebung mit Druck zu beaufschlagen und Ultraschall wird emittiert oder abgegeben. Die Membran M wird hauptsächlich durch die Resonanz des piezoelektrischen Vibrators 21 mit der Membran M in Vibration versetzt, so dass die auf die Luft aufgebrachte Druckenergie erhöht wird, um den Emissionsausgang oder die Ausgangsleistung des Ultraschalls zu erhöhen.

Bei dem Ultraschallelement 90 der 10A und 10B ist der piezoelektrische Vibrator 20 des piezoelektrischen Dünnfilms 2 so ausgebildet, dass er die gesamte Fläche der Membran M abdeckt, welche als dünnwandiger Abschnitt des Substrats 10 ausgebildet ist. Folglich kann bei einem solchen herkömmlichen Ultraschallelement 90 der piezoelektrische Vibrator nicht ausreichend Schalldruck erzeugen, da die Membran M nicht ohne weiteres verformbar ist, selbst wenn eine Spannung an den Vibrator 20 angelegt wird, um Vibrationen in diametralen Richtungen der Membran M zu erzeugen.

Im Gegensatz hierzu ist bei dem Ultraschallelement 100 der 2A und 2B das teilweise ausgehöhlte Muster oder das teilweise ausgebildete Aushöhlungsmuster 2a in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgebildet, und zwar in Abschnitten entsprechend den belastungskonzentrierten Bereichen Pc und Ph, die in den Vibrationen in diametralen Richtungen der Membran M auftreten. Folglich wird die Steifigkeit in den belastungskonzentrierten Bereichen Pc und Ph verringert, so dass die Membran M einfacher verformt werden kann. Ultraschall mit ausreichendem Schalldruck kann somit ausgegeben werden und das Ultraschallelement 100 kann als Emissionselement oder emittierendes Element verwendet werden. Die Verwendung des Ultraschallelements sei nicht auf ein Emissionselement beschränkt, denn das Ultraschallelement 100 ist auch als ein Ultraschallempfangselement mit einer hohen Wandlerleistung verwendbar.

Das Ultraschallelement 100 kann ein Emissionselement mit einer hohen Ausgangsleistung sein, ohne die Größe der Membran M erhöhen zu müssen, so dass eine Miniaturisierung beibehalten werden kann und eine Kostenverringerung möglich ist.

3B zeigt Schalldrücke, welche für die jeweiligen Ultraschallelemente 90, 100, 101 und 102 der 3A bis 3D untersucht wurden, wobei jedes dieser Elemente als Emissionselement verwendet wurde. In den 3A bis 3D sind schematische Draufsichten auf die Ultraschallelemente 90, 100, 101 und 102 gezeigt, wobei die Metallelektrodenfilme an den oberen und unteren Schichten des piezoelektrischen Dünnfilms 2 aus Gründen der Einfachheit weggelassen sind. 3E erläutert die analysierten Schalldrücke, welche 10 cm entfernt von den jeweiligen vier Ultraschallelementen 90, 100, 101 und 102 gemessen wurden.

Das Ultraschallelement 90 in 3A ist identisch zu dem herkömmlichen Ultraschallelement 90 der 10A und 10B. Das Ultraschallelement 100 in 3B ist identisch zu dem Ultraschallelement 100 der 2A und 2B der vorliegenden Erfindung.

Das Ultraschallelement 101 von 3C ist eine Abwandlung des Ultraschallelements 100 von 3B und hat einen piezoelektrischen Vibrator 22 mit einem kreisförmigen Aushöhlungsmuster 2b in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Mitte des Quadratmittelpunkts der Membran M. Ein Teil des piezoelektrischen Dünnfilms 2 wird durch das kreisförmige Aushöhlungsmuster 2b entfernt, wobei der entfernte Abschnitt dem belastungskonzentrierten Bereich Pc im Fallvon Vibrationen der Membran M in diametralen Richtungen entspricht, wie in 1 gezeigt.

Das Ultraschallelement 102 in 3B ist eine Abwandlung mit einem piezoelektrischen Vibrator 23 mit einem Aushöhlungsmuster 2c, welches eine Kombination des kreuz- oder sternförmigen Aushöhlungsmusters 2a und des kreisförmigen Aushöhlungsmusters 2b ist. Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 sind durch das Aushöhlungsmuster 2c entfernt, wobei die entfernten Abschnitte den belastungskonzentrierten Bereichen Pc und Ph im Fallvon Vibrationen der Membran M in diametralen Richtungen entsprechen, wie in 1 gezeigt.

Gemäß 3E können die Ultraschallelemente 100 bis 102 der vorliegenden Erfindung, bei denen die teilweise ausgehöhlten Muster oder Aushöhlungsmuster 2a bis 2c in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgebildet sind, Ultraschall mit einem annähernd um den Faktor 3 größeren Schalldruck als das herkömmliche Ultraschallelement 90 erzeugen, in welchem das Aushöhlungsmuster nicht ausgebildet ist.

Gemäß dem Ergebnis von 3E zeigt das Ultraschallelement 101 von 3C, bei dem das kreisförmige Aushöhlungsmuster 2b in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Nähe des Quadratmittelpunkts der Membran M ausgebildet ist, den höchsten Schalldruck. Es ist daher bevorzugt, die Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 um die Kantenmittelpunkte der Membran M zum Erhalt eines Ultraschallelements mit hohem Schalldruck nicht zu entfernen. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich, das in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 erzeugte Belastungen einfach in Auslenkungen der Membran M um jede Mitte der Quadratkanten der Membran M umgewandelt werden.

Die 4A bis 4F zeigen jeweils schematische Draufsichten auf weitere Ultraschallelemente 103 bis 108 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Metallelektrodenfilme an den oberen und unteren Schichten oder Seiten des piezoelektrischen Dünnfilms 2 sind in den 4A bis 4F aus Gründen der Einfachheit der Darstellung wieder weggelassen.

Ein Ultraschallelement 103 gemäß 4A hat einen piezoelektrischen Vibrator 24 mit einem quadratischen Aushöhlungsmuster 2d in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Nähe des Quadratmittelpunkts der Membran M, wobei das quadratische Aushöhlungsmuster 2d die gleiche Kantenanzahl wie die Membran M hat. Das Ultraschallelement 104 in der 4B hat einen piezoelektrischen Vibrator 25 mit einem sechseckförmigen Aushöhlungsabschnitt 2e in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Nähe der Mitte einer sechseckförmigen Membran Ma, wobei das sechseckförmige Aushöhlungsmuster 2e die gleiche Kantenanzahl wie die sechseckförmige Membran Ma hat. Ein Ultraschallelement 105 gemäß 4C hat einen piezoelektrischen Vibrator 26 mit einem achteckförmigen Aushöhlungsmuster 2f in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Nähe eines Mittelpunkts einer achteckförmigen Membran Mb, wobei das achteckförmige Aushöhlungsmuster 2f die gleiche Kantenanzahl wie die achteckförmige Membran Mb hat. In den Ultraschallelementen 103 bis 105 werden Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 durch die polygonförmigen Aushöhlungsmuster 2d bis 2f entfernt, wobei die entfernten Abschnitte den belastungskonzentrierten Bereich in der Nähe des Polygonmittelpunkts entsprechen.

Auf ähnliche Weise hat ein Ultraschallelement 106 in 4D einen piezoelektrischen Vibrator 27 mit einem kreisförmigen Aushöhlungsmuster 2g in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 in der Nähe eines Mittelpunkts der kreisförmigen Membran Mc. Bei dem Ultraschallelement 106 wird ein Teil oder Abschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms 2 durch das kreisförmige Aushöhlungsmuster 2g entfernt, wobei der entfernte Bereich einem belastungskonzentrierten Bereich in der Nähe des Kreismittelpunkts entspricht.

Wie weiterhin oben beschrieben ist, hat die Membran M des Ultraschallelements 103 von 4A Quadratform und diese Art von quadratförmiger Membran kann problemlos mittels einer Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnologie bearbeitet werden, um ein Ultraschallelement zu geringen Kosten zu erhalten. Andererseits sind die Draufsichtformen der Membranen Ma bis Mc der Ultraschallelemente 104 bis 106 der 4B bis 4D sechseckförmig, achteckförmig (n-Eck-förmig) oder kreisförmig und jede dieser Membranen Ma bis Mc hat einen Aufbau, bei die um äußere Umfangsabschnitte herum erzeugten Belastungen leichter verteilbar zu machen. Folglich kann eine Belastung gleichförmig verteilt werden und die Verformung der Membranen Ma bis Mc wird bezüglich der Mittelpunkte symmetrisch und bei Ausbildung der Aushöhlungsmuster 2e bis 2g in der Nähe der Mittelpunkte der jeweiligen Membranen Ma bis Mc wird die Form der Aushöhlungsmuster 2e bis 2g jeweils an die Formen der Membranen angepasst. Daher haben die Ultraschallelemente 104 bis 106 ausgezeichnetes Richtverhalten des Ultraschalls.

Bei einem Ultraschallelement 107 gemäß 4E ist eine Membran M in Quadratform ausgebildet und ein kreuz- oder sternförmiges Aushöhlungsmuster 2h ist in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgebildet, so dass ausgehöhlte (entfernte) Abschnitte die Nähe eines Quadratmittelpunkts bzw. den Quadratmittelpunkt selbst mit jeweiligen Ecken der quadratförmigen Membran M verbinden. Bei dem Aushöhlungsmuster 2a im Ultraschallelement 107 von 4E sind Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 in der Nähe des belastungskonzentrierten Bereichs Pc (Quadratmittelpunkt) entfernt.

Das Ultraschallelement 108 von 4F ist eine Abwandlung mit einem piezoelektrischen Vibrator 27, der ein Aushöhlungsmuster 2i hat, welches eine Kombination des kreuz- oder sternförmigen Aushöhlungsmusters 2h und des kreisförmigen Aushöhlungsmusters 2b ist. Das Aushöhlungsmuster 2i in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 wird auf ähnliche Weise hergestellt, indem Abschnitte des piezoelektrischen Dünnfilms 2 in dem belastungskonzentrierten Bereich Pc entfernt werden.

In jedem der voranstehenden Ultraschallelemente 103 bis 108 der 4A bis 4F kann die Steifigkeit in den belastungskonzentrierten Bereichen der Membranen M und Ma bis Mc bei Vibrationen in diametralen oder einander entgegengesetzten Richtungen verringert werden, so dass die Membranen M und Ma bis Mc einfacher verformt werden können. Damit kann Ultraschall mit ausreichend Schalldruck erzeugt werden und somit lassen sich die Ultraschallelemente 103 bis 108 auch als Emissionselemente verwenden.

Wie oben beschrieben ist, sind, obgleich die Ultraschallelemente 103 bis 108 als Ultraschallempfangselemente verwendbar sind, die Ultraschallelemente 103 bis 108 besonders bevorzugt auch als Ultraschallemissionselemente verwendbar, bei denen höherer Ausgang gefordert ist.

5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschallsensierungsvorrichtung 200, die ein Beispiel ist, wie das Ultraschallelement 100 der 2A und 2B angewendet werden kann.

Bei der Ultraschallsensierungsvorrichtung 200 von 5 wird das Ultraschallelement 100 als Emissionselement verwendet, wohingegen das herkömmliche Ultraschallelement 90 der 10A und 10B als Empfangselement verwendet wird. Bei der Ultraschallsensierungsvorrichtung 200 sind ein Emissionselement 100 und drei Empfangselemente 91 bis 93 in unterschiedlichen Abschnitten auf dem gleichen Substrat 10 ausgebildet. Da das Emissionselement 100 und die Empfangselemente 91 bis 93 auf dem gleichen Substrat 10 ausgebildet sind, können diese Elemente gleichzeitig mit dem gleichen Prozess hergestellt werden. Folglich können die Herstellungskosten für die Ultraschallsensierungsvorrichtung 200 verringert werden im Vergleich zu dem Fall, in welchem das Emissionselement und Empfangselemente separat hergestellt werden. Weiterhin wird es einfacher, die Ultraschallsensierungsvorrichtung 200 beispielsweise in ein Kraftfahrzeug einzubauen, da eine einstückige Gestaltung der Elemente 100 und 91 bis 93 auf dem gleichen Substrat 10 vorliegt. Obgleich die herkömmlichen Ultraschallelemente 91 bis 93 in der Ultraschallsensierungsvorrichtung 200 von 5 als Empfangselemente verwendet werden, kann auch das Ultraschallelement (mit dem gleichen Aufbau wie das Emissionselement 100 der vorliegenden Erfindung) als eines der Empfangselemente oder als die Empfangselemente verwendet werden.

Wie oben erläutert sind die piezoelektrischen Vibratoren 20 bis 27 auf den Membranen M, Ma bis Mc der Ultraschallelemente 100 bis 108 ausgebildet, wobei die piezoelektrischen Vibratoren 20 bis 27 mit den Membranen M, Ma bis Mc bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz oder in einem bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenzbereich in Resonanz sind. Folglich können die Ultraschallelemente 100 bis 108 Ultraschallwellen mit ausreichend Schalldruck ausgeben und können somit als Emissionselemente verwendet werden.

<Zweite Ausführungsform>

Bei der zweiten Ausführungsform werden Muster in Form von flachen Gräben oder Ausnehmungen oder Muster, welche durch solche Gräben oder Ausnehmungen gebildet werden, teilweise in dem piezoelektrischen Dünnfilm in der Nähe von belastungskonzentrierten Bereichen ausgebildet, so dass die Steifigkeit der Membranen in der Nähe dieser belastungskonzentrierten Bereiche verringert wird, so dass die Membranen einfacher verformbar werden.

6A ist eine schematische Draufsicht auf ein Ultraschallelement 110 dieser Ausführungsform und 6B ist eine Schnittdarstellung entlang VIB-VIB gemäß der Strichpunktlinie in 6A. Bei dem Ultraschallelement 110 der 6A und 6B werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile oder Abschnitte wie bei dem Ultraschallelement 100 der 2A und 2B zu bezeichnen.

Das Ultraschallelement 110 der 6A und 6B wird auf dem Halbleitersubstrat 10 mit der SOI-Struktur auf gleiche Weise wie das Ultraschallelement 100 der 2A und 2B aufgebaut.

Bei dem piezoelektrischen Vibrator 21 des Ultraschallelements 100 der 2A und 2B sind die Aushöhlungsmuster (Teilmuster) vorgesehen, um den piezoelektrischen Dünnfilm in beispielsweise vier Abschnitte zu unterteilen, wohingegen für den piezoelektrischen Vibrator 28 des Ultraschallelements 110 der 6A und 6B Muster in Form von flachen Gräben oder Vertiefungen oder Muster aus solchen flachen Gräben oder Vertiefungen in Teilen auf oder in dem piezoelektrischen Dünnfilm 2 ausgebildet sind. Daher ist der piezoelektrische Dünnfilm 2 nicht vollständig in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilt, sondern die Mehrzahl von Abschnitten wird definiert. Die Muster oder Musterungen 2j aus flachen Gräben im Ultraschallelement 110 sind – wie oben bereits erläutert – beispielsweise in Kreuz- oder Sternmusterform ausgebildet, und verbindet die Nähe des Quadratmittelpunkts oder den Quadratmittelpunkt selbst mit jedem der Kantenmittelpunkte der quadratischen Membran M, indem der piezoelektrische Dünnfilm 2 in der Nähe der belastungskonzentrierten Bereiche teilweise entfernt wird.

Das Ultraschallelement 110 in den 6A und 6B ist ebenfalls ein Ultraschallelement, bei dem der piezoelektrische Vibrator 28 bei der bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband mit der Membran M in Resonanz ist.

Da die Vorteile des Ultraschallelements 110 mit dem Muster 2j aus flachen Gräben gemäß den 6A und 6B ähnlich denjenigen des Ultraschallelements 100 mit dem Aushöhlungsmuster 2a der 2a und 2b sind, erfolgt eine nochmalige Erläuterung hiervon nicht. Die Form des Musters 2j aus den flachen Gräben ist nicht auf das Kreuz- oder Sternmuster von 6A beschränkt, sondern verschiedene Arten von Mustern aus flachen Gräben sind möglich, in etwa auf gleiche Weise wie die Aushöhlungsmuster 2b bis 2i der 3 und 4.

<Dritte Ausführungsform>

Die dritte Ausführungsform betrifft ein Ultraschallelement mit einem mehrschichtigen piezoelektrischen Vibrator.

7A ist eine schematische Draufsicht auf das Ultraschallelement 120 dieser Ausführungsform, 7B ist eine Schnittdarstellung entlang der strichpunktierten Linie VIIB-VIIB in 7A und 7C ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des mehrschichtigen piezoelektrischen Vibrators. Bei dem Ultraschallelement 120 der 7A bis 7C werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder einander entsprechende Teile oder Abschnitte wie im Ultraschallelement 90 der 10A und 10B zu bezeichnen.

Das Ultraschallsensierungselement 120 der 7A bis 7C wird ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 10 mit der SOI-Struktur auf gleiche Weise wie das Ultraschallelement 90 der 10A und 10B aufgebaut.

Der piezoelektrische Vibrator 20 des Ultraschallelements 90 der 10A und 10B hat eine Schicht des piezoelektrischen Dünnfilms 2, wohingegen der piezoelektrische Vibrator 29 des Ultraschallelements 120 der 7A bis 7C als mehrschichtiger Vibrator aufgebaut ist, bei dem eine Mehrzahl von piezoelektrischen Dünnfilmen 2 und eine Mehrzahl von Elektroden 3c abwechselnd aufeinander gestapelt oder aufeinander geschichtet ist, wie in 7C gezeigt.

Wenn daher eine Spannung an diese Anordnung angelegt wird, wird die Verformungsgröße erheblich erhöht, so dass die Vibrationsamplitude der Membran M ebenfalls entsprechend erhöht ist.

<Vierte Ausführungsform>

Ein Ultraschallelement gemäß der vierten Ausführungsform ist ein Ultraschallelement mit einem Aufbau, bei dem eine Membran mit einem piezoelektrischen Vibrator hierauf an einem Substrat auslegerartig gelagert ist, d.h., die Membran wird nur an einen Seitenabschnitt hiervon getragen.

8A ist eine schematische Draufsicht auf das Ultraschallelement 130 dieser Ausführungsform und 8B ist eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie VIIIB-VIIIB in 8A. Bei dem Ultraschallelement 130 der 8A und 8B werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder einander entsprechende Teile dieser Abschnitte wie in dem Ultraschallelement 90 der 10A und 10B zu bezeichnen.

Das Ultraschallelement 30 der 8A und 8B ist ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 10 mit der SOI-Struktur wie das Ultraschallelement 90 der 10A und 10B aufgebaut.

In dem Ultraschallelement 90 der 10A und 10B sind sämtliche äußeren Umfangsabschnitte der Membran M an dem Substrat 10 befestigt, wohingegen bei dem Ultraschallelement 130 der 8A und 8B die Membran Md und der piezoelektrische Vibrator 30 an dem Substrat 10 auslegerartig oder auskragend befestigt sind.

Bei den herkömmlichen Ultraschallelementen 90 der 10A und 10B kann die Membran M nicht ohne weiteres verformt werden und Ultraschall mit ausreichend Schalldruck kann daher nicht erhalten werden, selbst wenn die Spannung an den Ultraschallvibrator 20 angelegt wird, um diesen in diametralen oder entgegengesetzten Richtungen der Membran M zu vibrieren. Dies deshalb, als sämtliche Umfangsabschnitte oder der gesamte Umfang der Membran M (welcher als dünnwandiger Abschnitt ausgebildet ist) an dem Substrat 10 festgelegt sind oder ist.

Bei dem Ultraschallelement 130 der vorliegenden Erfindung in der Ausführungsform der 8A und 8B sind jedoch die Membran Md und der piezoelektrische Vibrator 30 an dem Substrat 10 auslegerartig gelagert, d.h., die äußeren Umfangsabschnitte der Membran Md sind nur teilweise an dem Substrat 10 befestigt und hiervon gelagert. Im Ergebnis können Abschnitte der Membran Md, welche ein Hindernis bei der Verformung der Membran Md wären, kleiner gemacht werden und die Membran Md kann entsprechend der Verformung des piezoelektrischen Vibrators 30 bei einer angelegten Spannung stärker verformt werden.

<Fünfte Ausführungsform>

Ein Ultraschallelement gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Ultraschallelement mit einer Ausgestaltung, bei der eine Membran dadurch gebildet wird, dass ein Teil von Schichten, welche auf das Substrat aufgestapelt sind, mittels Opferschichtätzen von einer Seitenoberfläche des Substrats abgezogen oder entfernt wird.

9A ist eine schematische Draufsicht auf das Ultraschallelement 140 dieser Ausführungsform, 9B ist eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie IXB-IXB in 9A und 9C ist eine Schnittdarstellung entlang der Strichpunktlinie IXC-IXC in 9A. Bei dem Ultraschallelement 140 der 9A bis 9C bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile oder Abschnitte wie im Ultraschallelement 130 der 8A und 8B.

Das Ultraschallelement 140 wird ebenfalls auf dem Halbleitersubstrat 10 mit der SOI-Struktur auf gleiche Weise wie das Ultraschallelement 130 der 8A und 8B aufgebaut.

Bei dem Ultraschallelement 140 wird die Membran Me dadurch gebildet, dass ein Teil des vergrabenen Oxidfilms 1b, der auf dem Substrat 10 ausgebildet ist, durch ein Opferschichtätzen von einer Seitenoberfläche der Membran Me abgezogen (gestrippt) wird.

Bei dem Ultraschallelement 140 sind Ätzöffnungen H entlang der Membran Me und Ausleger Ha durch den Prozess des Opferschichtätzens ausgebildet. Die äußeren Umfangsabschnitte der Membran Me sind somit teilweise über die Ausleger Ha an dem Substrat 10 befestigt, d.h. ähnlich wie bei dem Ultraschallelement 130 der 8A und 8B. Folglich können Abschnitte der Membran Mb, welche ein Hindernis bei der Verformung der Membran Me wären, kleiner gemacht werden und die Membran Me kann sich als Ergebnis einer in den Auslegern Ha erzeugten Verformung stärker verformt werden, wenn der piezoelektrische Vibrator 31 bei einer angelegten Spannung sich verformt.

Wie oben erläutert und wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, sind die Ultraschallelemente 120, 130 und 140 so ausgebildet, dass die piezoelektrischen Vibratoren 29, 30 und 31 jeweils mit den Membranen M, Md und Me bei einer bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband oder in einem bestimmten Frequenzbereich im Ultraschallwellenband in Resonanz geraten. Daher können die Ultraschallelemente 120, 130 und 140 Ultraschall mit ausreichendem Schalldruck ausgeben, so dass die Ultraschallelemente auch als Emissionselemente oder schallabgebende Elemente verwendbar sind. Weiterhin können diese Ultraschallelemente als Ultraschallelement mit hoher Ausgangsleistung hergestellt werden, ohne dass die Membrangrößen erhöht werden müssen, was die Herstellungskosten niedrig hält.

Weiterhin können auf gleiche Weise wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen die Ultraschallelemente der dritten bis fünften Ausführungsformen auch als Empfangselemente verwendet werden. Die Empfangselemente können unterschiedlich zu dem Emissionelement oder den Emissionselementen ausgebildet werden, jedoch gleichzeitig mit dem Emissionselement auf dem gleichen Substrat gebildet werden, um eine Ultraschallsensierungsvorrichtung zu bilden. Folglich können die Herstellungskosten für eine Ultraschallsensierungsvorrichtung niedriger gemacht werden und es wird einfacher, die Ultraschallsensierungsvorrichtung beispielsweise in ein Kraftfahrzeug einzubauen im Vergleich zu dem Fall, bei dem das Emissionselement oder die Emissionselemente und das Empfangselement oder die Empfangselemente separat hergestellt und eingebaut werden müssen.

Ein Ultraschallelement weist demnach insoweit zusammenfassend eine Membran auf, welche als dünnwandiger Abschnitt eines Substrats ausgebildet ist und auf der ein piezoelektrischer Vibrator ausgebildet ist. Der piezoelektrische Vibrator weist einen piezoelektrischen Dünnfilm und Metallelektrodenfilme auf, welche sandwichartig übereinander gestapelt sind. Der piezoelektrische Vibrator ist mit der Membran bei einer bestimmten Frequenz im Ultraschallwellenband in Resonanz. Ein Aushöhlungsmuster ist in dem piezoelektrischen Dünnfilm ausgebildet, um den piezoelektrischen Vibrator in eine Mehrzahl von Abschnitte zu unterteilen, wobei das Aushöhlungsmuster in einem Bereich entsprechend einem belastungskonzentrierten Bereich ausgebildet ist, der bei Vibrationen der Membran in diametralen Richtungen hiervon auftritt. Die Membran kann in Antwort auf Vibrationen des piezoelektrischen Vibrators einfach verformt werden, so dass Ultraschall mit höherem Schalldruck abgegeben werden kann.


Anspruch[de]
  1. Ein Ultraschallelement, aufweisend:

    eine Membran (M; Ma; Mb; Mc), die als dünnwandiger Abschnitt auf einem Substrat (10) ausgebildet ist;

    einen piezoelektrischen Vibrator (21 bis 25), der auf der Membran ausgebildet ist, um diese abzudecken, wobei ein piezoelektrischer Dünnfilm (2) zwischen Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) eingeschlossen ist und der piezoelektrische Vibrator (21 bis 30) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz mit der Membran (M; Ma; Mb; Mc) in Resonanz ist; und

    ein Aushöhlungsmuster (2a bis 2e), welches teilweise in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) ausgebildet ist, um den piezoelektrischen Vibrator (21 bis 25) in eine Mehrzahl von Abschnitten zu unterteilen, wobei das Aushöhlungsmuster (2a bis 2i) in einem derartigen Bereich ausgebildet ist, der einem belastungskonzentrierten Bereich (Pc und/oder Ph) entspricht, der bei Vibrationen der Membran (M; Ma; Mb; Mc) in diametralen Richtungen hiervon auftritt.
  2. Ultraschallelement nach Anspruch 1, wobei eine Draufsichtform der Membran (M; Ma; Mb) eine Polygonform ist und der belastungskonzentrierte Bereich (Pc und/oder Ph) der Nähe einer Mitte der Polygonform und einer Nähe einer jeden Mitte entsprechend der Kanten der Polygonform entspricht.
  3. Ultraschallelement nach Anspruch 2, wobei das Aushöhlungsmuster (2b, 2c) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) kreisförmig in der Mitte der polygonförmigen Membran ausgebildet ist.
  4. Ultraschallelement nach Anspruch 2, wobei das Aushöhlungsmuster (2d; 2e; 2f) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in einer derartigen Polygonform in der Nähe der Mitte der polygonförmigen Membran ausgebildet ist, welche die gleiche Kantenanzahl wie die polygonförmige Membran hat.
  5. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Aushöhlungsmuster (2a; 2c) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreuz- oder Sternform derart ausgebildet ist, dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden Mitte der jeweiligen Kanten verbindet.
  6. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Aushöhlungsmuster (2h; 2i) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreuz- oder Sternform so ausgebildet ist, dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden der jeweiligen Ecken verbindet.
  7. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Membran (M) in Draufsicht quadratisch ist.
  8. Ultraschallelement nach Anspruch 1, wobei die Draufsicht der Membran (Mc) Kreisform hat und der belastungskonzentrierte Bereich (Pc) einer Nähe der Mitte der Kreisform entspricht.
  9. Ultraschallelement nach Anspruch 8, wobei das Aushöhlungsmuster (2g) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreisform in der Nähe des Mittelpunkts der kreisförmigen Membran ausgebildet ist.
  10. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Ultraschallelement (100 bis 108) als Ultraschallemissionselement verwendbar ist.
  11. Ultraschallelement nach Anspruch 10, wobei ein Ultraschallempfangselement (91 bis 93) auf dem gleichen Substrat (10) wie das Ultraschallemissionselement ausgebildet ist, jedoch in einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement (100).
  12. Ein Ultraschallelement, aufweisend:

    eine Membran (M), die als dünnwandiger Abschnitt auf einem Substrat (10) ausgebildet ist;

    einen piezoelektrischen Vibrator (28), der auf der Membran ausgebildet ist, um diese abzudecken, wobei ein piezoelektrischer Dünnfilm (2) zwischen Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) eingeschlossen ist und der piezoelektrische Vibrator (28) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz mit der Membran (M) in Resonanz ist; und

    ein Muster (2j) aus flachen Gräben, welches teilweise in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) ausgebildet ist, um den piezoelektrischen Dünnfilm (2) nicht vollständig zu unterteilen, sondern um eine Mehrzahl von Abschnitten des piezoelektrischen Vibrators (28) zu definieren, wobei das Muster (2j) aus flachen Gräben in einem Bereich entsprechend einem belastungskonzentrierten Bereich (Pc und/oder Ph) ausgebildet ist, der bei Vibrationen der Membran (M) in diametralen Richtungen hiervon auftritt.
  13. Ultraschallelement nach Anspruch 12, wobei eine Draufsichtform der Membran (M) eine Polygonform ist und der belastungskonzentrierte Bereich (Pc und/oder Ph) der Nähe einer Mitte der Polygonform und einer Nähe einer jeden Mitte entsprechend der Kanten der Polygonform entspricht.
  14. Ultraschallelement nach Anspruch 13, wobei das Aushöhlungsmuster (2j) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) kreisförmig in der Mitte der polygonförmigen Membran ausgebildet ist.
  15. Ultraschallelement nach Anspruch 13, wobei das Aushöhlungsmuster (2j) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in einer derartigen Polygonform in der Nähe der Mitte der polygonförmigen Membran ausgebildet ist, welche die gleiche Kantenanzahl wie die polygonförmige Membran hat.
  16. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Aushöhlungsmuster (2j) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreuz- oder Sternform derart ausgebildet ist, dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden Mitte der jeweiligen Kanten verbindet.
  17. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Aushöhlungsmuster (2j) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreuz- oder Sternform so ausgebildet ist, dass das Aushöhlungsmuster die Nähe der Mitte der Polygonform mit der Nähe einer jeden der jeweiligen Ecken verbindet.
  18. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Draufsicht der Membran (M) quadratisch ist.
  19. Ultraschallelement nach Anspruch 12, wobei die Draufsicht der Membran (Mc) Kreisform hat und der belastungskonzentrierte Bereich (Pc) einer Nähe der Mitte der Kreisform entspricht.
  20. Ultraschallelement nach Anspruch 19, wobei das Aushöhlungsmuster (2j) in dem piezoelektrischen Dünnfilm (2) in Kreisform in der Nähe des Mittelpunkts der kreisförmigen Membran ausgebildet ist.
  21. Ultraschallelement nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei das Ultraschallelement (110) als Ultraschallemissionselement verwendbar ist.
  22. Ultraschallelement nach Anspruch 21, wobei ein Ultraschallempfangselement auf dem gleichen Substrat (10) wie das Ultraschallemissionselement ausgebildet ist, jedoch in einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement (110).
  23. Ein Ultraschallelement, aufweisend:

    eine Membran (M), die als dünnwandiger Abschnitt auf einem Substrat (10) ausgebildet ist;

    einen piezoelektrischen Vibrator (29), der auf der Membran ausgebildet ist, um diese abzudecken, wobei ein piezoelektrischer Dünnfilm (2) zwischen Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) eingeschlossen ist und der piezoelektrische Vibrator (29) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz mit der Membran (M) in Resonanz ist; und

    wobei der piezoelektrische Vibrator (29) in einer Mehrschichtstruktur ausgebildet ist, bei der eine Mehrzahl von piezoelektrischen Dünnfilmen (2) und eine Mehrzahl von Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) übereinander geschichtet ist.
  24. Ultraschallelement nach Anspruch 23, wobei das Ultraschallelement (120) als Ultraschallemissionselement verwendbar ist.
  25. Ultraschallelement nach Anspruch 24, wobei ein Ultraschallempfangselement auf dem gleichen Substrat (10) wie das Ultraschallemissionselement ausgebildet ist, jedoch in einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement (120).
  26. Ein Ultraschallelement, aufweisend:

    eine Membran (Md), die als dünnwandiger Abschnitt auf einem Substrat (10) ausgebildet ist;

    einen piezoelektrischen Vibrator (30), der auf der Membran ausgebildet ist, um diese abzudecken, wobei ein piezoelektrischer Dünnfilm (2) zwischen Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) eingeschlossen ist und der piezoelektrische Vibrator (30) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz mit der Membran (Md) in Resonanz ist; und

    wobei die Membran (Md) und der piezoelektrische Vibrator (30) an dem Substrat (10) auslegerartig gelagert sind.
  27. Ultraschallelement nach Anspruch 26, wobei das Ultraschallelement (130) als Ultraschallemissionselement verwendbar ist.
  28. Ultraschallelement nach Anspruch 27, wobei ein Ultraschallempfangselement auf dem gleichen Substrat (10) wie das Ultraschallemissionselement ausgebildet ist, jedoch in einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement (130).
  29. Ein Ultraschallelement, aufweisend:

    eine Membran (Me), die als dünnwandiger Abschnitt auf einem Substrat (10) ausgebildet ist;

    einen piezoelektrischen Vibrator (31), der auf der Membran ausgebildet ist, um diese abzudecken, wobei ein piezoelektrischer Dünnfilm (2) zwischen Metallelektrodenfilmen (3a, 3b) eingeschlossen ist und der piezoelektrische Vibrator (31) bei einer bestimmten Ultraschallwellenbandfrequenz mit der Membran (Me) in Resonanz ist; und

    wobei die Membran (Me) durch Abziehen eines Teils (1b) von Schichten (1a bis 1b), die auf dem Substrat (10) übereinander gestapelt sind, durch ein Opferschichtätzen gebildet wird, welches an das Substrat (10) von einer Seitenoberfläche des Substrats (10) her angewendet wird.
  30. Ultraschallelement nach Anspruch 29, wobei das Ultraschallelement (140) als Ultraschallemissionselement verwendbar ist.
  31. Ultraschallelement nach Anspruch 30, wobei ein Ultraschallempfangselement auf dem gleichen Substrat (10) wie das Ultraschallemissionselement ausgebildet ist, jedoch in einer unterschiedlichen Position zu dem Ultraschallemissionselement (140).
Es folgen 10 Blatt Zeichnungen






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