超声波探头以及超声波检查装置制造方法及图纸

本发明专利技术的目的是使得能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置容易地形成。为此，构成超声波探头4的层叠压电元件40具备在下部电极42与上部电极49之间设置层叠压电体膜48而成的层叠压电元件40。层叠压电体膜48在具有相对于膜面实质上垂直方向的自发极化的ZnO膜43上直接形成有与ZnO不同且具有与ZnO相反方向的自发极化的ScAlN膜44。

Ultrasonic probe and ultrasonic inspection device

The aim of the present invention is to make an ultrasonic probe and an ultrasonic inspection device capable of sending ultrasonic waves of more than 200MHz frequency. For this reason, stack piezoelectric element 40 which constitutes ultrasonic probe 4 has a laminated piezoelectric element 40 which is set between laminated electrodes and 48 electrodes between the lower electrode 42 and the upper electrode 49. The laminated piezoelectric film 48 directly forms a ScAlN film 44 which is different from ZnO and has spontaneous polarization with ZnO in the opposite direction of ZnO, in the ZnO film 43 with spontaneous polarization relative to the membrane surface in the vertical direction.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声波探头以及超声波检查装置
本专利技术涉及超声波探头以及超声波检查装置。
技术介绍
近年来，随着以手机为代表的消费类产品的轻薄短小化，电子部件小型化，封装也多样化、复杂化。为了检测出这些封装内部的裂缝、剥离、空隙(void)而确保可靠性，通过超声波来进行非破坏检查。该非破坏检查使用超声波检查装置进行，在该超声波检查装置中，将与检查对象对置设置并进行超声波收发的物质称为超声波探头。如果将超声波照射于检查对象则一边在检查对象的表面和内部的界面产生透射和反射一边传播到检查对象内部。在各界面的反射率、透射率根据界面前后的材料而不同，来自各界面的反射波持有与距超声波探头的距离对应的延迟和依赖于界面前后的材料的强度而返回到超声波探头。因此如果在检查对象上一边扫描超声波探头一边进行发送超声波后接收经预定时间后返回来的超声波并将与反射强度对应的亮度的像素进行显示这样的操作，则可以获得检查对象的所关注的界面的反射强度分布图像。例如，在空隙的部分超声波几乎100％被反射，在反射强度分布图像上形成与周围明确的差别。因此，可以检测出检查对象内的空隙。随着成为检查对象的电子部件的进化，要求对于更小的缺陷也能够检测出来那样的高频用超声波探头。这里所谓的高频，是指例如200MHz以上的频率的超声波。一般而言超声波检查在易于传播超声波的水中浸渍检查对象而进行，但如果为高频，则在水中、检查对象中的超声波的衰减变大。因此，需要提高高频的超声波的S/N比。作为提高S/N比的方法，有在收发计测器与超声波探头内的压电元件之间取得电阻抗匹配的方法。压电元件具有将压电材料用电极夹入的结构，在电路中可以与电容元件同样地对待。因此，压电元件的阻抗与电极面积成反比，并与压电材料的膜厚成正比，因此通过减小电极面积的方法、增厚膜厚的方法，可以增大阻抗。这里，如果要取得200MHz以上的高频用的压电元件的阻抗匹配，则需要减小电极面积，但在该方法中，超声波的发射面积变小，不现实。对于增厚膜厚的方法，由于压电元件的共振频率与压电材料的膜厚成反比，因而不能振荡所希望的高频。如上，高频用压电元件中，频率与阻抗匹配具有此消彼长的关系。为了避免频率与阻抗匹配处于此消彼长的关系这样的问题，专利文献1中记载了使用高阶模态的共振的方法。专利文献1中，示出了如下技术：将极化方向与基板大致平行且彼此为相反方向的多张压电膜以能够获得一阶模态的共振频率的膜厚进行层叠，使其进行层叠数的高阶模态共振。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2007-36915号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的课题专利文献1所记载的技术基于具有彼此相反方向的极化的相同材料的层叠压电体膜。如果用相同材料使压电体膜生长，则具有如下性质：在基底层上的层会延续基底层的极化方向进行生长。因此，在使具有极化方向的压电体膜生长时，从中途开始使极化方向成为相反方向进行生长是非常困难的。此外，这样的层叠压电体膜的成膜速度慢。具有200MHz以上的共振频率的压电体的膜厚虽然取决于压电材料，但为数μm。在使用高阶模态共振的情况下，需要形成多层的数μm的压电体，因此如果成膜速度慢则难以适用于产品。此外，也可以考虑通过贴合来制成压电体膜，但使数μm的膜厚的压电体以不产生裂缝的方式贴合，与利用成膜的形成同样非常困难。因此，本专利技术的课题是，使得不减小电极面积而改善阻抗匹配状态、并能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置能够容易地形成。用于解决课题的方案为了解决上述课题，本专利技术的超声波探头的特征在于，具备在下部电极与上部电极之间设置层叠压电体膜而成的压电元件。上述层叠压电体膜在第1压电体层上直接形成有第2压电体层，上述第1压电体层由具有相对于膜面实质上为垂直方向的自发极化的第1压电材料形成，上述第2压电体层由与上述第1压电材料不同且具有与上述第1压电材料相反方向的自发极化的第2压电材料构成。关于其它方案，在具体实施方式中说明。专利技术的效果根据本专利技术，可使得不减小电极面积而改善阻抗匹配状态、并能够发送200MHz以上频率的超声波的超声波探头以及超声波检查装置能够容易地形成。附图说明图1是表示超声波检查装置的一部分的外观的立体图。图2是表示超声波检查装置的概略的框图。图3是表示第1实施方式的超声波探头中使用的层叠压电元件的构成的截面图。图4是表示使用了ScAlN层的单层压电元件的构成的截面图。图5是表示使用了ZnO层的单层压电元件的构成的截面图。图6是表示单层压电元件的测定的图。图7是ScAlN层和ZnO层的电信号的波形图。图8是表示单层压电元件与层叠压电元件的频率特性的图。图9是表示第2实施方式中的层叠压电元件的构成的截面图。图10是表示第3实施方式中的层叠压电元件的构成的截面图。具体实施方式以下，参照各图对具体实施方式进行详细地说明。(第1实施方式)图1是表示超声波检查装置1的外观的立体图。超声波检查装置1具备三轴扫描仪2(扫描机构)、超声波探头4和保持该超声波探头4的保持架3。三轴扫描仪2包含x轴扫描仪21、y轴扫描仪22、z轴扫描仪23而构成。z轴扫描仪23安装于x轴扫描仪21，x轴扫描仪21安装于y轴扫描仪22。该三轴扫描仪2相对于平面状的检查对象6调整超声波探头4的高度并以二维进行扫描。由此超声波检查装置1可以通过超声波将平面状的检查对象6影像化。超声波探头4通过保持架3安装于三轴扫描仪2。该三轴扫描仪2使超声波探头4以二维进行扫描，并且检测其扫描位置。由此，超声波检查装置1可以将各扫描位置与回波的关系以二维进行影像化。此外，检查对象6被浸渍于装入水槽8中的使超声波传播的液态介质7(一般为水)，且以超声波探头4的前端与检查对象6对置的方式配置。通过使水槽8与x轴扫描仪21和y轴扫描仪22的动作范围相比稍大，从而能够用超声波探头4在设置在水槽8内的任意位置的检查对象6上进行扫描。超声波探头4的前端与检查对象6的表面的距离可以用z轴扫描仪23任意地调整。图2是表示超声波检查装置1的概略的框图。超声波检查装置1包含超声波探头4、三轴扫描仪2、保持架3、脉冲电压产生装置52、前置放大器53、接收器54、A/D转换器55、控制装置56、信号处理装置57、图像显示装置58的各部而构成。脉冲电压产生装置52在每个预定的扫描位置输出信号。该信号为例如冲击波、爆炸波的电信号。前置放大器53在通过脉冲电压产生装置52的信号向超声波探头4输出超声波后，将超声波探头4接收到的信号放大而输出至接收器54。接收器54将被输入的信号进一步放大而输出至A/D转换器55。对于A/D转换器55，经由接收器54，输入从检查对象6反射回来的回波。A/D转换器55在将该回波的模拟信号进行选通处理之后转换成数字信号，输出至控制装置56。控制装置56控制该三轴扫描仪2，用超声波探头4以二维进行扫描，取得超声波探头4的各扫描位置的同时用超声波测定检查对象6。控制装置56例如以X轴为主扫描方向，以Y轴为副扫描方向，首先使超声波探头4移动至Y轴的起点位置。接下来控制装置56使超声波探头4沿主扫描方向且去路方向移动而取得奇数号线的超声波信息，使其沿副扫描方向仅移动1步。控制装置56进一步使超声波探头4沿主扫描方向且回路方向移动而取得偶数号线的超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波探头，其特征在于，具备在下部电极与上部电极之间设置层叠压电体膜而成的压电元件，所述层叠压电体膜中，在第1压电体层上直接形成有第2压电体层，所述第1压电体层由具有相对于膜面实质上垂直的自发极化的第1压电材料形成，所述第2压电体层由与所述第1压电材料不同且具有与所述第1压电材料相反方向的自发极化的第2压电材料构成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.30 JP 2015-1307691.一种超声波探头，其特征在于，具备在下部电极与上部电极之间设置层叠压电体膜而成的压电元件，所述层叠压电体膜中，在第1压电体层上直接形成有第2压电体层，所述第1压电体层由具有相对于膜面实质上垂直的自发极化的第1压电材料形成，所述第2压电体层由与所述第1压电材料不同且具有与所述第1压电材料相反方向的自发极化的第2压电材料构成。2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，所述层叠压电体膜中，进一步交替地层叠有多个所述第1压电体层和所述第2压电体层。3.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，构成在所述下部电极上形成的所述第1压电体层的所述第1压电材料为ZnO。4.根据权利要求3所述的超声波探头，其特征在于，所述下部电极为[111]轴取向的Au膜。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：大野茂，住川健太，高桥卓也，柳谷隆彦，
申请(专利权)人：株式会社日立电力解决方案，
类型：发明
国别省市：日本,JP