所望周波数設計 と性能比較

本 章 は,本 研 究 に お け る初 期 検 討 で あ る.本 章 の 検 討 内 容 を検 討1と す る.

3.1研 究 過 程 と検 討1の 導 入

研究過程

本 研 究 は,大 き く3つ の 検 討 内 容 で あ る検 討1か ら 皿 で 構 成 さ れ て い る.本 節 で は,ま ず,そ の 検 討 内 容 の 関 係 性 や 各 検 討 で 取 り扱 う研 究 課 題 と そ れ に 至 る経 緯 を 概 説 す る.

図3.1は,本 研 究 の 検 討 内 容 の 概 略 図 で あ る.現 在,一 般 的 に 使 用 さ れ て い る超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ は 中 心 周 波 数 が 数MHzか ら十 数MHz程 度 で あ り,比 帯 域 は60%程 度 で あ る.本 研 究 で は,従 来 に 比 べ て 帯 域 を 広 げ る こ と を 目標 に して い る た め,超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー サ の 共 振 域 を20MHz帯 まで 高 周 波 化 す る .ま た,本 研 究 は,将 来 的 にFETと

Discussion1

・Designedtomakeresonance frequency20MHz

・ComparisenofitSperformance

DiscussionII

,Furthorthlcknessdependenoe investigation

・Proposalofwlde‑banddgsign mgthod

Discussionlll

・Stressandstraindistributien analysis

Fig.3.1.Studycontents乱llditsrelationship,

図3,1本 研 究 の 検 討 内 容 と そ の 関 係 性.

3.1,研 究 過 程 と検 討1の 導 入

32

ト ラ ンス デ ュ ー一サ を 一 体 化 を 目標 と して い る た め,MEMSに よ る 半 導 体 技 術 を 応 用 可 能 な ダ イ ア フ ラ ム 型pMUTに 焦 点 を 当 て て い る.シ リ コ ン(Si)基 盤 上 に 圧 電 体 で あ るPZT 層 を 成 膜 し た 構 造 を 有 す る ダ イ ア フ ラ ム型 ト ラ ン ス デ ュ ー サ を 想 定 して い る.ダ イ ア フ ラ

ム の 共 振 周 波 数 は,主 要 パ ラ メ ー タ で あ る幅 とSi層 とPZT層 の 両 層 の 膜 厚 に よ っ て 決 ま る.す な わ ち,周 波 数 に対 す る 設 計 パ ラ メ ー タ が 複 数 存 在 す る.検 討1で は,本 研 究 に お け る初 期 検 討 で あ り,20MHzの 共 振 周 波 数 を 持 ち,同 一一の 幅 とSi層 とPZT層 の 膜 厚 の 異 な る組 み 合 わ せ 構 造 の ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ の 送 信 と受 信 の 性 能 を 比 較 評 価 す る.さ ら に,設 計 周 波 数 で あ る20MHzに 対 して,よ り最 適 な構 造 に つ い て 考 察 す る.

検 討IIで は,検 討1で 得 られ た 結 果 を も と に,ト ラ ン ス デ ュ ー サ 性 能 の 構 造 依 存 性 を 詳 細 に 調 査 す る.そ こで 得 られ た 結 果 を も と に,任 意 の 設 計 周 波 数 に 対 して 最 適 な 設 計 手 法 を 導 く.検 討 皿 は,検 討1と1工 で 得 ら れ た 諸 特 性 の 発 生 メ カ ニ ズ ム に つ い て 考 察 す る.

検討1の 導入

本 研 究 室 で は,2.5節 で 示 した よ う に,バ ル クPZTとMOSFETの ゲ ー トを 直 接 接 続 し た 構 造 を提 案 し て い る.こ の 構 造 は,超 音 波 を 高 感 度 に 受 信 す る こ とが 可 能 で あ り,提 案 さ れ た 装 置 は,PZT.FETと 呼 ば れ る.し か し,結 線 に よ る浮 遊 容 量 の た め に帯 域 幅 が 改 善 さ れ な か っ た.こ の 問 題 を 解 決 す る た め に,将 来 的 に は トラ ン ス デ ュ ー サ とFET/TFT か ら な る一 体 構 造 を製 作 す る 予 定 で あ る.MEMS技 術 は,複 雑 な構 造 の 圧 電 層 と電 極 を堆 積 す る た め に 使 用 す る こ とが で き る.ダ イ ア フ ラ ム はMEMS技 術 に よ っ て バ ル ク よ り も 容 易 に 製 造 さ れ る の で,ダ イ ヤ フ ラ ム 型PZTト ラ ンス デ ュ ー サ の 使 用 を 前 提 とす る.図 3.2に 電 極 構 造 の 一 例 を 示 す.正 方 形 の ダ イ ア フ ラ ム は,そ の 周 の 長 さ が 同 じ面 積 の 円 の 円 周 よ り も大 き い た め,ソ ー ス と ド レイ ン の 電 極 を 長 くす る こ とが で き る.チ ャネ ル 長 が 長 い 方 が 効 率 的 に増 幅 が 可 能 で あ る.本 研 究 本 章 で は,20MHz帯 域 で 超 音 波 を送 受 信 で き る 正 方 形 ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ に 焦 点 を 当 て て い る.

単 純 拘 束 さ れ た 単 層 正 方 形 ダ イ ヤ フ ラ ム の機 械 的 共 振 周 波 数 ∫,は,膜 厚h,幅L,ヤ ン グ 率Y,密 度 ρ,ボ ア ソ ン比yか ら以 下 の 式 に よ っ て 決 定 され る.

35.99hy み一(3.1)

2π1}212ρ(1‑u2)

ダ イ ア フ ラ ム 型 ト ラ ンス デ ュー サ は,共 振 周 波 数 を 決 定 す る2つ の 設 計 パ ラ メ ー タ,す な わ ち 幅 と膜 厚 を 有 す る.式3.1に よ る と,共 振 周 波 数 は,主 に 幅 に よ って 制 御 され,膜 厚 と

と も に変 化 す る.従 来,ダ イ ヤ フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ は,幅 が100kHzか ら100MHz, 周 波 数 帯 域 に す る とpmか らmm範 囲 で 一 般 的 な研 究 が な さ れ て き た.20MHz帯 トラ ン ス デ ュ ー サ の 場 合,従 来 の トラ ン ス デ ュ ー サ に 比 べ て 幅 を小 さ くす る 必 要 が あ る.膜 厚 数

3,1.研 究 過 程 と検 討1の 導 入 33

Si

Drainelectrode

Sio2＼

Sourcoelectrode /

〜

Si Sio2

Sourceelectrode Dralnelectrode

Fig,3、2.Exampleofsourceanddrainelectrodestructure.

図3.2ソ ー ス ・ ド レ イ ン 電 極 構 造 の 例.

pmの 場 合,約50pmの ダ イ ア フ ラ ム で20MHz帯 の 共 振 周 波 数 を 実 現 で き る.20MHz 帯 域 のpMUTは,従 来 のpMUTよ り も比 較 的 膜 厚 が 大 き くな る こ とが 予 想 され る.し た が っ て,pMUTは,こ れ ま で 知 られ て い な い 複 雑 なi振動 特 性 を 有 す る こ とが 予 想 さ 礼 興 味 深 い 圧 電 特 性 を 生 じ さ せ る 可 能 性 が あ る.そ の 結 果,送 信,受 信 の た め の 広 帯 域 特 性 も 期 待 さ れ る.本 研 究 本 章 の 主 な独 創 性 は,そ の よ うな 特 徴 を 定 量 的 に 明 ら か に す る こ とで

あ る.

3.2.検 討1の 解 析 手 法

3.2検 討1の 解 析 手 法

3.2.1シ ミ ュ レ ー タPZFIexに つ い て

本 研 究 は,圧 電 及 び 超 音 波 伝 搬 シ ミュ レー タで あ るPZFlexを 用 い て 解 析 を行 う.PZFlex の 計 算 手 法 は,有 限 要 素 法(FEM)で あ る.FEMは 数 値 解 析 手 法 の 一 つ で あ り,解 析 空 間 を 要 素 分 割 す る こ とで 微 分 方 程 式 で は 解 を 求 め る こ とが 困 難 な 問 題 を 解 く こ とが 可 能 で あ る.[36]PZFIexはFEMを 使 っ て 特 定 の 加 重 状 態 に 対 す る 物 体 の 応 答 を シ ミ ュ レ ー ト す る.FEMモ デ リ ン グ は 形 状 の 物 理 的 実 体 を 細 か な 個 別 要 素 に分 解 す る こ と を基 礎 と し て い る.PZFIexは そ の1つ1つ の 要 素 に つ い て 応 力 とひ ず み を 計 算 す る.次 に,こ れ ら の 応 力 と ひ ず み は そ の 周 囲 の 要 素 に伝 達 され る こ とで 計 算 が 進 む .さ らに,圧 電 計 算 とそ の 結 果 と して モ デ ル に 対 して 生 じ る効 果 を シ ミ ュ レ ー シ ョン に反 映 す る た め,圧 電 材 料 の 電 気 特 性 を 取 り入 れ る こ と も可 能 で あ る.

FEMの 特 徴 で あ る任 意 な 形 状,異 種 材 料 の 混 在,任 意 な 境 界 条 件 の 設 定 な ど に よ っ て, シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 汎 用 性 は 高 い.医 用 超 音 波 の 分 野 で は,ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 小 型 が 要 求 さ れ て い る.小 型 化 の 問 題 の1つ は,対 象 と す る デ バ イ ス の デ ィ メ ン ジ ョ ン,縦,横, 高 さ の 長 さが 近 接 す る た め 理 想 的 な 解 析 で は そ の 応 答 の 正 確 な 把 握 が 困 難 な こ とで あ る.

さ ら に,支 持 系 な ど の 境 界 条 件 の 効 果 の 見 積 も り も容 易 で は な い.こ れ らの 理 由 か ら も FEMを 用 い た3次 元 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンが 必 要 と され て い る こ とが わ か る.

3.2.2シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い る トラ ン ス デ ュ ー サ の 構 造 決 定

図3.3に 示 す よ う に,PZT層 とSi層 か ら な る ダ イ ア フ ラ ム に 対 して イ ン パ ル ス 音 圧 を ダ イ ア フ ラ ム 中心 点 に 印 可 す る.そ の と き の,振 動 応 答 を ダ イ ア フ ラ ム 中 心 点 で 時 間 波 形

と して 観 測 す る.各 材 料 の 重 要 な 特 性 を 表3,1に 示 し,そ れ ぞ れ は,質 量 密 度 ρ,体 積 弾 性 率K,及 びせ ん 断 弾 性 率Gを 示 す.ヤ ン グ率Y,及 び ボ ア ソ ン 比yは,Kお よ びGを

TABLE3.1.PHYslcALPRoPERTIEsusEDINslMuLATIoNs,

表3,1シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 使 用 さ れ る 材 料 の 物 理 的 特 性.

MaLterial ρ(kg/m3) κ(101。N/m2)

Si 2330 7.34

0.44

PZT5E

7500 9.30 2.32

3,2,検 討1の 解 析 手 法

Planeimpulsesoundpressure

TZP    おS・・

▲■占▼▲lIΨのの①⊆XO一=ト

z3

ピx,

Width

漣

Fig.3.3.Analysismodelforevaluationofmechanicalresonancefrequency.

図3.3機 械 共 振 周 波 数 の 評 価 の た め の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル.

用 い て 相 互 に 変 換 さ れ る.圧 電 材 料 で あ るPZT5Hの 特 性 は 以 下 の 式 で 示 さ れ る.

5E=

1.65

‑0 .48

‑0 .85 0 0 0

一 〇.48 0,17

‑0 .85 0 0 0

d‑(蕊

0∩U

一 〇.85

‑0 、85 2.07

0 0 0

nUO

一 〇.270.59

印一燃

000 000 000 4.3500

04.350 00426

×10‑11m2/N,