【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.03】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1096
利用課題名 / Title
圧電MEMS技術による音響トランスデューサ
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
PMUT, Piezoelectric materials, wide-band、超音波,電子線リソグラフィ/ EB lithography,センサ/ Sensor,MEMS/NEMSデバイス/ MEMS/NEMS device,スパッタリング/ Sputtering,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,膜加工・エッチング/ Film processing/etching
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
鈴木 謙次
所属名 / Affiliation
コニカミノルタ株式会社ヘルスケア事業本部 US&VS開発部 先行開発G
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
清水 直紀,八木 晃,中山 雄太,佐々木 亜優
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
三田 吉郎,藤原 誠,水島 彩子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-604：高速シリコン深掘りエッチング装置
UT-600：汎用ICPエッチング装置
UT-504：光リソグラフィ装置MA-6
UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-711：LL式高密度汎用スパッタリング装置 (2018)
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)アレイトランスデューサの広帯域化に伴う感度低下を補償するため、単一素子内の複数のPMUT間の配線接続を送信時と受信時で切り替える手法を考案した。原理検証のため、PMUT間の配線構成（直列接続と並列接続の混載比率）が異なる多チャンネル1D PMUTアレイトランスデューサを試作し、送信素子と受信素子の組み合わせを変えて水中でのループゲインを測定した。その結果、送信時と受信時で適切に配線を選択・切り替えることで、感度の向上が可能であることを確認した。
実験 / Experimental
東大のMEMS加工設備群を用いて試作した1D PMUTアレイトランスデューサの外観をFig. 1に示す。また、配線タイプの異なる素子を含むPMUTアレイの拡大図をFig. 2に示す。αタイプは、すべてのPMUTが並列に接続された従来の構成である。一方、βタイプは、アジマス方向に3つのPMUTが直列に接続され、エレベーション方向に並列接続される構成となっている。送信用と受信用に同一または異なるタイプのアレイ素子を使用し、水中での往復ループゲインを測定した。実験セットアップをFig. 3に示す。トランスデューサアレイは水槽の底に固定し、1つのアレイ素子を駆動して水面方向へ超音波を放射した。水面で反射した波を、駆動素子の隣接素子で受信した。送信波形および受信波形をそれぞれ周波数領域に変換し、送受信ループゲインを算出した。実験はFig. 3の右下に示すように、送信素子タイプと受信素子タイプの組み合わせを変えた3つのケース（#0、#1、#2）で実施した。
結果と考察 / Results and Discussion
各実験ケースにおけるループゲインの周波数プロファイルをFig. 4に示す。ケース#0（黒丸）は、従来のα型配線構成を用いて送信・受信の両方を行った場合であり、基準として0 dBに設定した。ケース#1（赤丸）は、α型で送信し、β型で受信した場合である。このとき、ループゲインは理想的な条件下での予測値+9.5 dB（赤点線）に対し、実測値は+4.3 dBであった。ケース#2（青丸）は、β型配線構成を用いて送信・受信の両方を行った場合である。このとき、ループゲインは理想的な条件下での予測値0.0 dB（青点線）に対し、実測値は-6.4 dBであった。これらの結果から、PMUT間の配線を送信時と受信時で適切に選択・切り替えることで、帯域幅を拡大しつつ感度向上が可能であることが確認できた。また、理論予測と実験結果の差異は、MEMS基板の寄生容量の影響であると推測される。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1. A fabricated wideband 1D PMUT array : (a) overall appearance, (b) a top view of an element without acoustic lens, (c) close-up of the wiring between the upper electrodes, showing a type with all parallel connections and (d) cross-section of a PMUT diaphragm.
Fig. 2 The wiring connection between the two types of PMUTs contained in the array element: α type and β type.
Fig. 3 Experimental setup and schematic of three experimental cases. A single element is driven, and the reflected wave from the water surface is received by an adjacent single element, and the loop gain frequency characteristics are measured.
Fig. 4 Round-trip Loop gain profile in water of the wideband 1D PMUT array.
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
技術補佐員の皆様、及び東京大学工学部三田研究室の皆様には、装置の基礎操作から測定・評価法に至るまで甚大なるご助力いただきましたこと、ここにお礼申し上げます。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Kenji Suzuki, Wideband and High-Sensitivity 1D PMUT Array Transducers, 2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium (UFFC-JS), , 1-4(2024).
DOI: 10.1109/UFFC-JS60046.2024.10793926
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Poster presentation at 2024 IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Joint Symposium.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件