JP5988786B2 - 超音波ユニット及び超音波内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型の超音波セルが半導体基板上に形成された超音波エレメントがパッケージ部材に絶縁部材を介して配設されている超音波ユニット及び前記超音波ユニットを具備する超音波内視鏡に関する。

被検物に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる診断装置の１つに超音波内視鏡システムがある。超音波内視鏡は、体内へ挿入される挿入部の先端部に超音波ユニットが配設されている。超音波ユニットは電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。

超音波ユニットの超音波セルとして、特開２００６−５０３１４号公報には、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される静電容量型超音波振動子（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ｃＭＵＴ）が開示されている。

ｃＭＵＴの超音波セルは、下部電極とキャビティを介して対向配置している上部電極を含むメンブレンの振動により、超音波の送受信を行う。送信時には電極間に電圧が印加されると上部電極が静電力により下部電極に引き寄せられるため、上部電極を含むメンブレンが変形する。電圧印加がなくなると、メンブレンは弾性力により元の形に回復する。このメンブレンの変形／回復により超音波が発生する。

一方、受信時には、受信した超音波エネルギーによりメンブレンが変形し、上部電極と下部電極との距離が変化する。上部電極と下部電極とにより構成されるキャパシタの容量Ｃ１がΔＣだけ変化することを利用して、受信した超音波エネルギーが電気信号に変換される。

ここで、超音波ユニットの構造等により、受信信号のもとになる前記キャパシタの容量Ｃ１に、受信した超音波エネルギーにより変化しない寄生容量Ｃｐが付加されることがある。すると、同じ強度の超音波エネルギーを受信したときの容量変化率が、ΔＣ／Ｃ１から、ΔＣ／（Ｃ１＋Ｃｐ）に減少してしまうため、受信感度が低下してしまう。

特開２００６−５０３１４号公報

本発明の実施形態は、受信感度の高い超音波ユニット及び前記超音波ユニットを具備する超音波内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の実施形態の超音波ユニットは、接地電位となる上部電極と、駆動信号が印加される下部電極と、がキャビティを介して対向配置し第１のキャパシタを構成している複数の超音波セルが、半導体からなる基板の上に形成された超音波エレメントと、前記複数の超音波エレメントが配設された、接地電位となるパッケージ部材と、前記パッケージ部材と前記超音波エレメントとの間に配設された絶縁部材と、を具備し、前記絶縁部材がギャップとなることにより第２のキャパシタが構成され、前記第２のキャパシタに直列接続されて構成される第３のキャパシタの容量が、前記第２のキャパシタの容量よりも小さい。

また別の実施形態の超音波内視鏡は、接地電位となる上部電極と、駆動信号が印加される下部電極と、がキャビティを介して対向配置し第１のキャパシタを構成している複数の超音波セルが、半導体からなる基板の上に形成された超音波エレメントと、前記複数の超音波エレメントが配設された、接地電位となるパッケージ部材と、前記パッケージ部材と前記超音波エレメントとの間に配設された絶縁部材と、を具備し、前記絶縁部材がギャップとなることにより第２のキャパシタが構成され、前記第２のキャパシタに直列接続されて構成される第３のキャパシタの容量が、前記第２のキャパシタの容量よりも小さい超音波ユニットが先端部に配設された挿入部と、前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、前記操作部から延設されたユニバーサルコードと、を具備する。

本発明の実施形態によれば、受信感度の高い超音波ユニット及び前記超音波ユニットを具備する超音波内視鏡を提供できる。

実施形態の超音波内視鏡を含む内視鏡システムの構成図である。 実施形態の超音波内視鏡の先端部の斜視図である。 実施形態の超音波ユニットの斜視図である。 実施形態の超音波ユニットの分解図である。 第１実施形態の超音波ユニットの図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 従来の超音波ユニットの構成図である。 従来の超音波ユニットの等価回路図である。 第１実施形態の超音波ユニットの構成図である。 第１実施形態の超音波ユニットの等価回路図である。 第２実施形態の超音波ユニットの構成図である。 第２実施形態の超音波ユニットの等価回路図である。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して第１実施形態の超音波ユニット３０及び超音波ユニット３０を具備する超音波内視鏡２（以下、「超音波ユニット３０等」という）について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、構成要素の数、大きさ、及び大きさの比率等は実際とは異なる。

＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すように、超音波内視鏡２は、超音波観測装置３及びモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。超音波内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部４１と、挿入部４１の基端に配された操作部４２と、操作部４２から延出したユニバーサルコード４３と、を具備する。

ユニバーサルコード４３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ４４Ａが配設されている。コネクタ４４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ４５Ａを介して接続されるケーブル４５と、超音波観測装置３にコネクタ４６Ａを介して接続されるケーブル４６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。

挿入部４１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）４７と、先端部４７の後端に位置する湾曲部４８と、湾曲部４８の後端に位置して操作部４２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部４９と、を連設して構成されている。

そして、図２に示すように、挿入部４１の先端部４７には、複数の超音波エレメント２０がラジアル状に配置された超音波ユニット３０が配設されている。なお、超音波ユニットは、複数の超音波エレメント２０が、凸形状に配置されたコンベックス走査型、又は平面上に配置されたリニア走査型でもよい。

＜超音波ユニットの構成＞
次に、図３、図４及び図５を用いて、超音波ユニット３０の構成について説明する。なお、図４等ではパッケージ部材６０を平板状に図示している。

図３に示すように、超音波ユニット３０は、円筒形のパッケージ部材６０の外周面に、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０が、長辺が平行に所定間隔で円筒状に配置されたラジアル型振動子である。

図４に示すように、超音波エレメント２０とパッケージ部材６０との間には、バッキング材６１及び接合層６２Ａ、６２Ｂからなる絶縁部材６３が配設されている。超音波を送受信する基本単位である超音波エレメント２０は、第１の主面２０ＳＡと、第１の主面２０ＳＡと対向する第２の主面２０ＳＢと、を有するシリコン基板１１を基体とする。そして、超音波エレメント２０の第１の主面２０ＳＡのほぼ中央部には超音波を送受信する送受信部２１が形成されており、第１の主面２０ＳＡの両端部には外部電極２２Ａ、２２Ｂが配設されている。図３に示すように、外部電極２２Ａ、２２Ｂは、それぞれケーブル８０の導線８１Ａ、８１Ｂと接続されている。導線８１Ｂは接地電位線であり複数の超音波エレメント２０の共通配線でもよい。例えば、ケーブル８０のシールド線を導線８１Ｂとして用いることができる。

ケーブル８０は、先端部４７と、湾曲部４８と、可撓管部４９と、操作部４２と、ユニバーサルコード４３と、ケーブル４６と、に挿通され、コネクタ４６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。

送受信部２１には、複数の静電容量型の超音波セル１０がマトリックス状に配置されている。なお、図４では一部の超音波セル１０のみを模式的に示している。また、超音波セル１０が、基板に形成された凹部に嵌め込まれるように配置されていてもよい。

図５に示すように、シリコン基板１１の上に形成された超音波セル１０は、メンブレンを構成する上部電極１６が、キャビティ（空隙部）１４Ａを介して下部電極１２と対向配置している。キャビティ（空隙部）１４Ａは電極間絶縁層１４のエッチングにより形成されている。なお、上部電極１６の上に上部絶縁層及び保護膜が形成されているが図示していない。

また、シリコン基板１１には酸化シリコンからなる絶縁層１５が形成されているが、絶縁層１５には貫通孔があるため、下部電極１２とシリコン基板とは導通状態にある。言い換えれば、絶縁層１５が形成されていないのと同じと見なすことができる。

なお、超音波エレメント２０の外部電極２２Ａは複数の超音波セル１０の下部電極１２の共通電極であり、外部電極２２Ｂは複数の超音波セル１０の上部電極１６の共通電極である。このため、１個の超音波エレメント２０に含まれる複数の超音波セル１０は同時に駆動する。

パッケージ部材６０は例えばＳＵＳ等の導電材料からなるが、樹脂等の不導体基材の少なくとも一面に導体層が形成されていてもよい。生体内に挿入される導電性部材は安全のため、接地電位に保持される。すなわち、パッケージ部材６０は図示しない導線を介して上部電極１６と同様に接地電位に保持されている。パッケージ部材６０は上部電極１６を接地電位に保持する導線８１Ｂと接続されていてもよい。

複数の超音波エレメント２０は、バッキング材６１を介して接合層６２（６２Ａ、６２Ｂ）によりパッケージ部材６０の外周面に配設されている。

不要な超音波を吸収するバッキング材６１には、様々な材料を用いることができ、無機材料、有機材料いずれも適用可能である。特に、大きな減衰率を持つエポキシ系樹脂又はゴム系材料にフィラーを混合させた材料は、不要な振動を効果的に吸収できるため、好ましい。フィラーには、マトリックス材料であるエポキシ樹脂やゴム系材料よりも高い密度の材料を用いると、さらに効率的に不要な振動を減衰できるため、より好ましい。また、接合層６２（６２Ａ、６２Ｂ）には、シランカップリング剤を０．５〜２％含むエポキシ系接着剤等を用いることが好ましい。

弾性部材からなるバッキング材６１と接合層６２Ａ及び６２Ｂとは、いずれも絶縁材料であり、全体として一つの絶縁部材６３と見なすことができる。この絶縁部材６３は、例えば、バッキング材６１の厚さを５０〜２００μｍとし、接合層６２Ａ及び６２Ｂの厚さを０．５〜２．０μｍとするなど、各々の材質やサイズ等に応じて適宜設定すればよい。また、３層の接合層とせず、バッキング材６１を用いない構造としてもよく、この場合には、単一の絶縁部材６３を、超音波エレメント２０の送受信駆動時に必要な絶縁を確保できる厚さ以上とする。

そして、シリコン基板１１には、基板と極性が異なる低抵抗の拡散層１８が形成されている。例えば、シリコン基板１１が、ホウ素等の３価元素が含まれるｐ型半導体の場合には、第１の主面２０ＳＡから、リン等の５価元素が注入されたｎ型の拡散層１８が形成されている。拡散層１８の不純物濃度は、シリコン基板１１の不純物濃度よりも高い。すなわち、シリコン基板１１はｐ−半導体であり、拡散層１８はｎ＋半導体である。

＜超音波ユニットの動作＞
超音波送信時には、超音波観測装置３の制御により、導線８１Ｂと外部電極２２Ａとを介して下部電極１２に駆動信号（電圧）が印加される。例えば、ｎ＋拡散層及びｐ−基板の場合には、接地電位よりも高い正の駆動電圧を印加する。逆に、ｐ＋拡散層及びｎ−基板の場合には、接地電位よりも低い負の駆動電圧を印加する。上部電極１６及びパッケージ部材６０は、接地電位に保持されている。なお、超音波内視鏡２は、外面に近い上部電極１６が接地電位であるため、上部電極１６に電圧が印加される内視鏡よりも安全性が高い。

一方、超音波受信時には、超音波観測装置３の制御により、外部電極２２Ａ、２２Ｂを介して、下部電極１２と上部電極１６との間の容量Ｃ１が測定される。すなわち、キャビティ１４Ａがギャップとなり下部電極１２と上部電極１６とにより構成される第１のキャパシタ７１の容量変化ΔＣが測定される。このとき、下部電極１２にはバイアス電圧が印加されていることが好ましい。このバイアス電圧の極性は、駆動電圧の極性と同じとする。

図６及び図７に示すように、従来の超音波ユニット１３０では、絶縁部材６３がギャップとなりシリコン基板１１１（下部電極１２）とパッケージ部材６０との間で構成される容量Ｃ２の第２のキャパシタ７２が、キャパシタ７１と並列接続されている。さらに、下部電極１２と上部電極１６との間に電極間絶縁層１４を挟んだ重なり（オーバーラップ）領域は、容量値が変化しない寄生容量となっており、このオーバーラップ領域の容量ＣｏとＣ２との合計がトータル寄生容量Ｃｐとなる。

この結果、すでに説明したように、キャパシタ７１の容量がΔＣ変化した場合に、外部電極２２Ａ、２２Ｂを介して測定される容量変化率Ｄ（％）は、トータル寄生容量Ｃｐによって、ΔＣ／Ｃ１からΔＣ／（Ｃ１＋Ｃｐ）に減少していた。なお、以下の数値計算（見積り）にあたっては、Ｃｏを他の容量と比べて充分小さいものと見なす。すなわちＣｐ＝Ｃ２と見なすが、Ｃｐ＞Ｃ２であっても実施形態の効果は十分に発揮される。

例えば、Ｃ１＝１３ｐＦ、Ｃ２＝５．３ｐＦ、ΔＣ＝１．３ｐＦの場合、容量変化率Ｄは、１０．０％から７．１％に減少する。

これに対して、図８及び図９に示すように、超音波ユニット３０では、下部電極１２に正の電圧が印加されると、拡散層１８が正電位となるため、シリコン基板１１の拡散層側には電子が移動してくる。この結果、シリコン基板１１の内部に空乏層１９が形成される。空乏層１９は導電性がないため、空乏層１９をギャップする第３のキャパシタ７３が構成される。

ここで、空乏層１９の厚さ、すなわち、第３のキャパシタ７３のギャップ長は、ｐ−半導体であるシリコン基板１１のアクセプタ密度が、５×１０¹¹ｃｍ^−３、ｎ＋半導体である拡散層１８のドナー密度が、５×１０^1９ｃｍ^−３、印加電圧が１００Ｖのとき、略５００μｍとなる。このため、空乏層１９の誘電率を、１１．９とすると、第３のキャパシタ７３の容量Ｃ３は、１．２ｐＦとなる。

図９に示すように、第３のキャパシタ７３は、絶縁部材６３がギャップとなり構成される容量Ｃ２の第２のキャパシタ７２と直列接続されており、容量Ｃ２及びＣ３とオーバーラップ領域の容量Ｃｏとの合計がトータル寄生容量Ｃｐとなる。直列接続された第２のキャパシタ７２と第３のキャパシタ７３の合成容量Ｃ１０は、Ｃ１０＝（Ｃ２×Ｃ３）／（Ｃ２＋Ｃ３）となる。すなわち、Ｃ２＞Ｃ１０である。ここでも、Ｃｏを他の容量と比べて充分小さいものとして扱い、Ｃｐ＝Ｃ１０としているが、本発明の実施はこのような算出の仕方に制限されるものではない。

すなわち、公知のように、第２のキャパシタ７２と第３のキャパシタ７３とが直列接続されると、合成容量Ｃ１０は、第２のキャパシタ７２の容量Ｃ２及び第３のキャパシタ７３の容量Ｃ３よりも小さくなり、かつ、容量が小さいキャパシタの容量が支配的となる。ここで、第３のキャパシタ７３の容量Ｃ３は第２のキャパシタ７２の容量Ｃ２よりも小さい。このため、Ｃ２＞Ｃ１０である。

寄生容量ＣｐがＣ２からＣ１０に減少するため、キャパシタ７１の容量がΔＣ変化した場合に、外部電極２２Ａ、２２Ｂを介して測定される容量変化率Ｄ（％）は、第３のキャパシタ７３が構成されない場合に比べて、ΔＣ／（Ｃ１＋Ｃ２）からΔＣ／（Ｃ１＋Ｃ１０）に増加している。

例えば、Ｃ１＝１３ｐＦ、Ｃ２＝５．３ｐＦ、Ｃ３＝１．２ｐＦ、ΔＣ＝１．３ｐＦの場合、容量変化率Ｄは、７．１％から９．３％に増加する。

以上の説明のように、シリコン基板１１に基板１１と極性が異なる低抵抗の拡散層１８があり、拡散層１８により基板１１の内部に形成される空乏層１９がギャップとなり第３のキャパシタ７３が構成される超音波エレメント２０を具備する超音波ユニット３０は受信感度が高い。

なお、下部電極１２に負電圧が印加される場合には、シリコン基板をｎ−半導体とし、拡散層をｐ＋半導体とすることで、超音波ユニット３０と同じ効果を得られる。

第３のキャパシタの容量Ｃ３は、第２のキャパシタの容量Ｃ２との関係で選択されるが、より高感度化するためには、Ｃ３≦０．５×Ｃ２であることが好ましく、Ｃ３≦０．１×Ｃ２であることがより好ましい。

以上の説明のように、寄生容量Ｃｐの減少のためには、絶縁部材６３がギャップとなり構成される第２のキャパシタに第３のキャパシタが直列接続されていればよい。このため、シリコン基板１１の内部に第３のキャパシタが構成されるように拡散層１８を形成しておく方法に限られるものではなく、例えば、パッケージ部材６０が接続される接地電位線の途中に小容量コンデンサを配設することによって、第３のキャパシタを構成する方法でもよい。

しかし、実施形態の拡散層１８を形成しておく方法は、小容量コンデンサを配設するための製造工程が非常に容易であり大量生産に適している。すなわち、超音波エレメント２０は１枚のシリコンウエハに多数作製してから個片化される。このため、製造工程の最初にシリコンウエハに、拡散層を形成しておくだけでよい。また、超音波ユニット３０の構成部品数が増加することもないため、特に好ましい。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態の超音波ユニット３０Ａ及び超音波ユニット３０Ａを有する超音波内視鏡２Ａ（以下、「超音波ユニット３０Ａ等」という）について説明する。超音波ユニット３０Ａ等は超音波ユニット３０等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

超音波ユニット３０Ａでは、超音波エレメント２０の絶縁層１５には貫通孔がないため、下部電極１２とシリコン基板１１とは絶縁状態にある。このため、図１０及び図１１に示すように、絶縁層１５をギャップとする第４のキャパシタ７４（容量Ｃ４）が構成されている。

超音波ユニット３０Ａでは、下部電極１２に正の電圧が印加されると、拡散層１８の絶縁層１５側は負電位層となり、反対側（パッケージ部材側）は正電位層となる。このため、超音波ユニット３０と同様に、シリコン基板１１の内部に空乏層１９が形成される。空乏層１９は導電性がないため、空乏層１９をギャップする第３のキャパシタ７３が構成される。

図１１に示すように、第３のキャパシタ７３及び第４のキャパシタ７４は、絶縁部材６３がギャップとなり構成される容量Ｃ２の第２のキャパシタ７２と直列接続されており、オーバーラップ容量ＣｏとＣ２、Ｃ３と及びＣ４との合計がトータル寄生容量Ｃｐとなる。直列接続された第２のキャパシタ７２と第３のキャパシタ７３と第４のキャパシタ７４の合成容量Ｃ１１は、Ｃ１１＝（Ｃ２×Ｃ３×Ｃ４）／（Ｃ２×Ｃ３＋Ｃ２×Ｃ４＋Ｃ３×Ｃ４）となる。絶縁層１５が薄い場合には第４のキャパシタ７４の容量Ｃ４は比較的大きいが、Ｃ２＞Ｃ１１である。ここでも、Ｃｏを他の容量と比べて充分小さいものとして扱い、Ｃｐ＝Ｃ１１としているが、本発明の実施形態はこのような算出の仕方に制限されるものではない。

寄生容量がＣ２からＣ１１に減少するため、キャパシタ７１の容量がΔＣ変化した場合に、外部電極２２Ａ、２２Ｂを介して測定される容量変化率Ｄ（％）は、第３のキャパシタ７３が構成されない場合に比べて、ΔＣ／（Ｃ１＋Ｃ２）からΔＣ／（Ｃ１＋Ｃ１１）に増加している。

すなわち、超音波ユニット３０Ａ等においても、超音波ユニット３０等と同じ効果が得られる。

なお、例えば、絶縁層１５を厚く形成することで下部電極１２と基板１１との間の容量を空乏層容量よりも低くする場合、又はパッケージ部材６０が接続される接地電位線の途中に空乏層容量よりも低い小容量コンデンサを配設した場合において、実施形態では空乏層容量を形成するために基板１１と極性が異なる拡散層１８を形成したが、この組み合わせにすることなく、基板に基板１１と極性が同じ型の拡散層を形成しても良い。

すなわち、本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、実施形態の構成を組み合わせるなどの変更、改変等が可能である。

１…超音波内視鏡システム、２…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極、１４…電極間絶縁層、１４Ａ…キャビティ、１５…絶縁層、１６…上部電極、１８…拡散層、１９…空乏層、２０…超音波エレメント、３０、３０Ａ…超音波ユニット、６０…パッケージ部材、６１…バッキング材、６２（６２Ａ、６２Ｂ）…接合層、６３…絶縁部材、７１…第１のキャパシタ、７２…第２のキャパシタ、７３…第３のキャパシタ、７４…第４のキャパシタ

Claims (4)

1. 接地電位となる上部電極と、駆動信号が印加される下部電極と、がキャビティを介して対向配置し第１のキャパシタを構成している複数の超音波セルが、半導体からなる基板の上に形成された超音波エレメントと、
   前記複数の超音波エレメントが配設された、接地電位となるパッケージ部材と、
   前記パッケージ部材と前記超音波エレメントとの間に配設された絶縁部材と、を具備し、
   前記絶縁部材がギャップとなることにより第２のキャパシタが構成され、
   前記第２のキャパシタに直列接続されて構成される第３のキャパシタの容量が、前記第２のキャパシタの容量よりも小さいことを特徴とする超音波ユニット。
2. 前記基板は、前記基板と異なる極性の低抵抗の拡散層を有し、
   前記第３のキャパシタは、前記拡散層により前記基板の内部に形成される空乏層がギャップとなることによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波ユニット。
3. 前記超音波エレメントは、前記基板と前記下部電極とを絶縁する絶縁層を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波ユニット。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波ユニットが先端部に配設された挿入部と、
   前記挿入部の基端部側に配設された操作部と、
   前記操作部から延設されたユニバーサルコードと、を具備することを特徴とする超音波内視鏡。

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