マイクロLFB超音波デバイスの開発

摘要

A micro line-focus-beam (LFB) ultrasonic device was developed to improve spatial resolution of the LFB ultrasonic material characterization (UMC) system which is capable of quantitatively evaluating various solid materials, including single crystals, by measuring the phase velocity of leaky surface acoustic waves (LSAWs) propagating on a water-loaded specimen surface. A different point from the normal-LFB device was that the micro-LFB device had a cylindrically convex surface with a large curvature radius for fabricating a ZnO-film transducer. We evaluated spatial resolution of the device at 225 MHz by measuring focused acoustic fields using a point-focus-beam ultrasonic device as a detecting probe. 3dB-down width of the acoustic fields along unfocused direction (perpendicular to the LSAW propagation direction) was improved to be 0.26 mm for the micro-LFB device, as compared with that of 0.92 mm for the normal-LFB device. We also verify a capability of anisotropy detection through measurements of angular dependence of LSAW velocities for anisotropic crystal. LSAW velocity distributions measured for a Z-cut ZnO crystal clearly showed that the micro-LFB device could detect velocity variations and inhomogeneities which could not be observed by the normal-LFB device. This device will be useful for characterizing small precious samples.%直線集束ビーム超音波材料解析（LFB－UMC）システムは、水を負荷した試料表面を伝搬する漏洩弾性表面波（LSAW）の位相速度を計測することで、単結晶材料をはじめとする様々な固体材料の定量評価ができる。本報では、その測定において空間分解能を改善するためにマイクロLFBデバイスを開発した。通常のLFBデバイスとの違いは、マイクロLFBデバイスはZnO薄膜トランスデューサの装着面が大きな曲率半径の円筒状の凸面となっている点である。点集束ビーム超音波デバイスを受波プロープとして、225MHzで集束音場を測定することによってデバイスの空間分解能を評価した。非集束方向（LSAW伝搬方向と垂直な方向）の音場の3dB－down幅は、通常のLFBデバイスでは0．92mmであったのに対し、マイクロLFBデバイスでは0．26mmに改善された。また、異方性結晶に対するLSAW速度の伝搬方向依存性の測定を通して、異方性検出能力を有することを実証した。Z－Cut ZnO結晶試料に対するLSAW速度分布測定の結果、通常のLFBデバイスでは観測されなかった速度変化や不均一性をマイクロLFBデバイスでは検出できることを示した。このデバイスは貴重な微小試料の評価に有用となるであろう。