一27
Diaphr昌gmoftOトlm闇thicknessSilayer
8Ω
60
{邑̀も ≧建塁曽毛9︒・但需
凸り∩い04ワ翰OOO‑﹂F‑尋‑凸Q(O
ThicknessofPZTlayer{pm]
Fig.4.25.Maximumreceptionsensitivity(1eftblueverticalaxis)andspecificbandwidth (rightredverticalaxis)determinedfordifferenceindiaphragmwidthandthicknessof
PZTlayer.
図4.25ダ イ ア フ ラ ム 幅 とPZT層 の 膜 厚 に応 じ て 決 定 さ れ る最 大 受 信 感 度 〔左 の 青 色 の 縦 軸)と 比 帯 域 幅(右 の 赤 色 の 縦 軸).
4.4.超 広 帯 域 設 計 手 法 の 提 案 75
120
110
昌U∩冒nUハUハUハU9876
︻Eユ]唖.￡"写評蕨ゆ㎝﹂二肛㎝噛O
SG
40
4 68101214
Thi￠k胎ssofPZTlayor、 カ1μm】
16
Fig.4.26、Relationshipbetweenwidtllandthicknesswhenspecificbandwidthismaxi‑
mized.
図4.26比 帯 域 幅 が 最 大 化 を す る 幅 と 膜 厚 と の 関 係,
帯 域 幅 を 最 大 に す る 幅 と膜 厚 の 関 係 は,お お よ そ 比 例 して い る とい え る.図426に 示 す 近 似 直 線 を 満 た す 幅 お よび 厚 さ の 条 件 で は,周 波 数 範 囲 が 異 な る.す な わ ち,所 望 の 周 波 数 を 設 定 した 場 合,帯 域 幅 を 最 大 に で き る 構 造 が 一 意 に 決 定 で き る 可 能 性 が あ る.
図427は,所 望 の 設 計 周 波 数 に 対 す る帯 域 幅 を 最 大 化 す る ん とLの 関 係 性 を 示 し て い る.図4.26の 比 帯 域 幅 が 最 大 化 を す る 幅 と膜 厚 との 関 係 に そ の 各 モ デ ル が ど の 周 波 数 帯 域 に 帯 域 幅 を 有 す る か を 追 加 して 描 画 した も の で あ る.本 研 究 で は,ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 広 帯 域 特 性 か ら有 限 要 素 法 の 要 素 分 割 を 細 か くす る必 要 が あ り,そ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 設 計 に 時 間 が か か る.し か し,上 記 の 近 似 式 を 用 い て 適 切 に 用 い る こ とで,複 数 の シ ミ ュ レー シ ョ ン を 行 う必 要 な く,広 帯 域 に 設 計 す る こ とが 可 能 で あ る とい え る.ま ず,必 要 な 帯 域 幅 や 使 用 す る周 波 数 帯 域 を 決 め る(青 軸).そ の と き,最 適 な トラ ン ス デ ュ ー サ の 構 造 は 近 似 直 線 で 決 ま る.本 検 討 に よ っ て,比 帯 域 を 最 大 化 す る 五 と んの 関 係 は お よ そ 比 例 関 係 に あ り,そ の 関 係 を 利 用 して 効 率 的 に 超 広 帯 域 設 計 が 可 能 と な っ た.
4.4.超 広 帯 域 設 計 手 法 の 提 案 76
日andwldthfrequenoyS十muletiefi旧 呂ults 繍CenterfroquencyApproximetestrヨlghtline
lO3120
1「o
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50
10'14046810t21
416 ThicknessofPZTIayer,h[ym】
Fig.427.RelationshipbetweenhandLmaximizingbandwidthfordesireddesignfre‑
quency・
図4.27所 望 の 設 計 周 波 数 に 対 す る 帯 域 幅 を 最 大 化 す るhとLの 関 係 性.
4.5.検 討IIの 小 括 77
4.5検 討IIの 小 括
本 章 で は,前 章 の 結 果 か ら,ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ の 膜 厚 は 性 能 に 対 して 大 き な 影 響 を 持 つ こ とが 予 想 さ れ た た め,ダ イ ア フ ラ ム の 膜 厚 依 存 性 を 詳 細 に 確 認 し た.ま ず,50pm幅 の ダ イ ア フ ラ ム に 焦 点 を 当 て,膜 厚 を 変 え な が ら送 受 信 の 特 性 を 調 査 し た.
さ ら に,必 要 に 応 じ て,幅 も変 え る こ とで さ らに 詳 細 な 傾 向 を考 察 した.
送 信 特 性 は,PZT層 とSi層 の 膜 厚 に よ っ て 大 き な 影 響 を 受 け な か っ た.50pm幅 の ダ イ ア フ ラ ム の 場 合,膜 厚 が2.Opm以 上 の と き,ダ イ ア フ ラ ム と して は 相 対 的 に 膜 厚 が 大 き い た め,従 来 知 ら れ て い た 狭 帯 域 な 特 性 を 有 して い な か っ た.幅 を 大 き くす る こ とで 相 対 的 に 膜 厚 を 小 さ くす る 追 加 の 検 討 に よ っ て,理 想 的 な ダ イ ァ フ ラ ム に 近 い 相 対 膜 厚 が 小 さ い ダ イ ア フ ラ ム は,非 常 に狭 帯 域 な 振 動 特 性 を 有 す る.し か し,MHz帯 域 に お い て, 音 圧 は 振 動 変 位 よ り も駆 動 周 波 数 が 主 要 パ ラ メ ー タ と な る た め,振 動 特 性 に よ っ て 特 性 の 変 化 が 少 な い.そ の た め,ダ イ ア フ ラ ム の モ デ ル や そ の 機 械 共 振 域 以 外 の 周 波 数 に お い て も広 帯 域 に 送 信 が 可 能 で あ る.さ ら に,送 信 音 圧 レ ベ ル も従 来 の 研 究 報 告 以 上 の 結 果 が 得 ら れ た.
受 信 特 性 は,膜 厚 を 大 き くす る に つ れ て 従 来 知 ら れ て い な い 特 性 を確 認 した.PZT層 の 膜 厚 を徐 々 に 大 き く して い く と,あ る 膜 厚 で 帯 域 幅 が 大 き く改 善 す る.こ れ は,あ る 閾 値 膜 厚 を 越 え る と膜 振 動 と厚 み 振 動 が 共 在 す る こ と に よ っ て 引 き 起 こ さ れ る こ とが 追 加 検 討 に よ っ て 示 さ れ た.Si層 の 膜 厚 は 帯 域 幅 へ の 影 響 は 少 な い が,膜 厚 を 大 き くす る こ とで 高 感 度 化 可 能 で あ る.送 信 域 と受 信 域 を 比 較 す る と,そ れ ぞ れ 一 致 して い る た め 十 分 に 超 音 波 を 送 受 信 可 能 で あ る.受 信 帯 域 幅 は,幅 に 対 して 膜 厚 を 大 き くす る こ とで 膜 振 動 と厚 みi振動 を 適 切 に 共 在 させ る こ とで 広 帯 域 化 で き る こ とが 予 想 さ れ た.
送 信 特 性 は,モ デ ル に よ ら ず 広 帯 域 な 送 信 特 性 を 有 す る た め,よ り受 信 域 を 広 帯 域 化 す る こ とが 広 帯 域 な 超 音 波 の 送 受 信 に と っ て 重 要 で あ る.受 信 域 を 広 帯 域 化 す る た め に は,膜 振 動 と厚 み 振 動 を適 切 に 共 在 させ る こ とが 重 要 で あ り,そ の 共 在 具 合 は,ア ス ペ ク ト比 に よ っ て 決 定 さ れ る と仮 説 を 立 て た.そ こで,ア ス ペ ク ト比 を 変 え た ダ イ ア フ ラ ム で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を す る こ とで 帯 域 幅 を 最 大 化 す る幅 と膜 厚 の 関 係 を 調 べ た.そ の 結 果 か ら,帯 域 幅 を 最 大 化 す る 幅 と膜 厚 の 関 係 は お お よ そ線 形 と な っ た.さ ら に,そ の 直 線 上 の 各 モ デ ル は 異 な る周 波 数 域 で 帯 域 幅 を 有 す るた め,設 計 周 波 数 に 対 して 帯 域 幅 を 最 大 化 す る ダ イ ア フ ラ ム の 構 造 を 一 意 に 決 め る とが で き る.超 広 帯 域 設 計 の デ メ リ ッ トは そ の 広 帯 域 性 に よ る 感 度 の 低 下 で あ る が,将 来 的 に トラ ン ス デ ュ ー サ とFETを 一 体 化 す る こ とで 解 決 す る こ とが で き る.そ れ に よ っ て,従 来 に 比 べ て,高 感 度 性 と広 帯 域 性 の 両 立 が 実 現 可 能 と な る.
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