JPH03274899A - Ultrasonic converter - Google Patents

Ultrasonic converter

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Publication number
JPH03274899A
JPH03274899A JP2074928A JP7492890A JPH03274899A JP H03274899 A JPH03274899 A JP H03274899A JP 2074928 A JP2074928 A JP 2074928A JP 7492890 A JP7492890 A JP 7492890A JP H03274899 A JPH03274899 A JP H03274899A
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JP
Japan
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thin film
ultrasonic
piezoelectric
ultrasonic transducer
transducer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2074928A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiko Kushida
恵子 櫛田
Hiroyuki Takeuchi
裕之 竹内
Yoshito Nene
義人 禰寝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PURPOSE:To form a small-sized sensor which can obtain an image by being inserted into a minute part such as a blood vessel, etc., by connecting a thin film piezoelectric converting part and a signal processing circuit part of the piezoelectric converting part concerned by a pattern wiring in the extreme vicinity of the piezoelectric converting part and installing them on a semiconductor substrate. CONSTITUTION:On a silicon substrate 10, a circuit part 15 consisting of a driver circuit for exciting a piezoelectric thin film, a pre-amplifying circuit, a transmission/reception separating circuit, etc., is formed. Thereafter, an ultrasonic converting part is constituted by forming first the lower electrode 11 consisting of, for instance, platinum, etc., and laminating successively a thin film 12 of 10mum film thickness mainly composed of lead titanate, and also, the upper electrode 13 consisting of aluminum. The thin film 12 mainly composed of lead titanate is formed by a high frequency magnetron spattering method. After the upper electrode 13 is formed, a sample is held at 150 deg.C, a voltage of 100V is applied between the upper and the lower electrodes 11, 13 for ten minutes, and a polarization processing is performed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波診断装置、超音波探査映像装置、超音
波顕微鏡等に使用される薄膜型の超音波変換器に関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a thin film type ultrasonic transducer used in ultrasonic diagnostic devices, ultrasonic exploration imaging devices, ultrasonic microscopes, and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

超音波を応用する画像化装置においては、電気と音波を
相互に変換する超音波変換器が重要な役割を果たしてい
る。医療用では主として数MHzの超音波が使用されて
いるが、体内、血管内へ挿入して微小な領域を高分解能
で見たいという要求も多い。このため、高周波数化が図
られ、最近では30MH2のりニアアレイ変換器も実現
されている。
In imaging devices that apply ultrasound, an ultrasound transducer that mutually converts electricity and sound waves plays an important role. Ultrasound waves of several MHz are mainly used for medical purposes, but there is also a growing demand for ultrasonic waves to be inserted into the body or into blood vessels to view minute areas with high resolution. For this reason, higher frequencies have been attempted, and 30 MH2 linear array converters have recently been realized.

一方、探傷用では、数MH2からIGHzに及ぶ広い範
囲の周波数が用途に応じて使用されている。これは、高
周波数化することで分解能が向上する反面、超音波の試
料内での減衰が大きくなって、十分な到達深度が得られ
ないからである。また、探傷用の場合には、一定深度の
面を画像化する場合が多く、従って、走査方式も単一の
センサの機械走査が一般的である。
On the other hand, for flaw detection, a wide range of frequencies ranging from several MHz to IGHz are used depending on the application. This is because while increasing the frequency improves the resolution, the attenuation of the ultrasonic waves within the sample increases, making it impossible to reach a sufficient depth. Furthermore, in the case of flaw detection, a surface at a certain depth is often imaged, and therefore, the scanning method is generally mechanical scanning using a single sensor.

超音波変換器において、圧電体は、使用する超音波周波
数で厚み共振するように設計される。数十MHz以上の
周波数帯では、圧電体の厚さが数十μm以下となるため
、圧電体は薄膜プロセスで形成される、 この薄膜型の超音波変換器の場合には、薄膜を支える基
板材料として、音響特性、結晶学的整合性を考慮して、
適した材料を選択している。薄膜圧電体としてはZnO
が広く使用されており、また、基板材料としては、サフ
ァイア(α−AI、○、)が一般的に用いられている。
In an ultrasonic transducer, the piezoelectric body is designed to resonate through its thickness at the ultrasonic frequency used. In the frequency band of several tens of MHz or higher, the thickness of the piezoelectric material is several tens of micrometers or less, so the piezoelectric material is formed by a thin film process.In the case of this thin film type ultrasonic transducer, a substrate supporting the thin film As a material, considering acoustic properties and crystallographic consistency,
Selecting suitable materials. ZnO as a thin film piezoelectric material
is widely used, and sapphire (α-AI, ◯) is generally used as the substrate material.

この種の変換器については、例えば、固体物理17巻第
51〜57頁において論じられている。
Transducers of this type are discussed, for example, in Solid State Physics, Vol. 17, pp. 51-57.

[発明が解決しようとする課題] 従来、圧電材料にRFパルスを送信して圧電体を励振し
くドライバ)、戻って来たエコーをサンプリング、増幅
する回路を圧電変換部周辺に設ける必要があった。通常
、ドライバ、プリアンプは、lci″程度の素子と コ
ンデンサから成っており、超音波を送受する圧電変換部
を微細加工技術を駆使して小さくしても、デバイス全体
の大きさを縮小できないという問題があった。これは、
血管等の微小部へ挿入して像が得られるような小型セン
サを形成することを困難にするものである。
[Problem to be solved by the invention] Conventionally, it was necessary to send an RF pulse to a piezoelectric material to excite the piezoelectric material (driver), and to provide a circuit around the piezoelectric transducer to sample and amplify the returned echoes. . Normally, drivers and preamplifiers consist of elements on the order of lci'' and capacitors, and even if the piezoelectric transducer that transmits and receives ultrasonic waves is made small using microfabrication technology, the problem is that the overall size of the device cannot be reduced. There was this.
This makes it difficult to form a small sensor that can be inserted into a minute part such as a blood vessel to obtain an image.

また、最近のIC化技術を用いて回路を集積化した場合
でも、上記回路と圧電変換部との間に距離があるとその
間を同軸ケーブル等で接続しなければならず、回路の出
力部にはこのケーブルの容量をドライブする能力が要求
される。このため、回路を構成するトランジスタは、十
分な電流を流せるだけの大きな面積が必要となり、圧電
変換部の縮小に見合うだけの回路面積の低下が期待でき
ないという問題もあった。
Furthermore, even when circuits are integrated using recent IC technology, if there is a distance between the circuit and the piezoelectric converter, it is necessary to connect them with a coaxial cable, etc. requires the ability to drive this cable capacity. For this reason, the transistors constituting the circuit must have a large area to allow a sufficient current to flow, and there is also a problem in that the circuit area cannot be expected to be reduced to an extent commensurate with the reduction of the piezoelectric conversion section.

更に、多数の微小素子への配線等を行う必要があるが4
これは実装上も困難な問題であり、これによる、実装上
のばらつきの増大も大きな問題であった。
Furthermore, it is necessary to perform wiring etc. to a large number of micro elements.
This is a difficult problem in terms of implementation, and the resulting increase in variation in implementation is also a major problem.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するとごろは、従来の技術における上述の如き問題を解
消し、血管等の微小部へ挿入して像が得られるような小
型センサを形成するために用い得る超音波変換器を提供
することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to solve the above-mentioned problems in the conventional technology and to provide a small sensor that can be inserted into minute parts such as blood vessels to obtain images. An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that can be used for forming an ultrasonic transducer.

また、本発明の他の目的は、信号処理回路部を圧!変換
部の極く近くに設置することにより、損失を減少させる
とともに、実装を簡便にし、素子間の性能のばらつきを
低減させることが可能な超音波変換器を提供することに
ある。
Another object of the present invention is to compress the signal processing circuit section! An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that can reduce loss, simplify mounting, and reduce variations in performance between elements by being installed very close to a converter.

本発明の更に他の目的は、高感度化を図った超音波変換
器を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer with high sensitivity.

[課題を解決するための手段] 本発明の上記目的は、半導体基板上に、薄膜圧電変換部
とともに該圧電変換部の信号処理回路部を、当該圧電変
換部の極く近くに、パターン配線により接続して設置し
たことを特徴とする超音波変換器、および、該超音波変
換器において、上記薄膜圧電変換部を、微細な素子が多
数アレイ状に配列されて形成されていることを特徴とす
る超音波変換器によって達成される。
[Means for Solving the Problems] The above object of the present invention is to provide a thin film piezoelectric transducer and a signal processing circuit section of the piezoelectric transducer on a semiconductor substrate very close to the piezoelectric transducer by pattern wiring. An ultrasonic transducer characterized in that they are connected and installed, and in the ultrasonic transducer, the thin film piezoelectric transducer is formed by a large number of fine elements arranged in an array. This is accomplished by an ultrasonic transducer.

[作用] 本発明に係る超音波変換器においては、圧電薄膜から超
音波(縦波)を発生させるためのドライバ回路と、試料
から戻った超音波を変換した電気信号を増幅するブリア
゛、プ等の回路部を、半導体基板上に集積して形成して
いるため、圧電変換部と回路部との間の同軸ケーブルに
よる配線が不要となり、出力部の駆動能力を大幅に軽減
することができ、回路を構成するトランジスタ面積が小
さくなる。これにより、占有スペースを格段に小さくす
ることが可能となる。
[Function] The ultrasonic transducer according to the present invention includes a driver circuit for generating ultrasonic waves (longitudinal waves) from the piezoelectric thin film, and a bridge and a prism for amplifying the electric signals converted from the ultrasonic waves returned from the sample. Since the circuit sections are integrated and formed on a semiconductor substrate, there is no need for coaxial cable wiring between the piezoelectric conversion section and the circuit section, and the driving capacity of the output section can be significantly reduced. , the area of the transistors forming the circuit becomes smaller. This makes it possible to significantly reduce the occupied space.

また、同一半導体基板上に圧電変換部と回路部が形成さ
れ、基板上の配線パターンで接続されているため、ワイ
ヤボンディング等による配線を行う必要がなく、配線に
よる損失が小さくなる。更に、微弱な信号を受信部の近
傍で増幅することかできるので、S/Nが良くなる。
Furthermore, since the piezoelectric conversion section and the circuit section are formed on the same semiconductor substrate and are connected by a wiring pattern on the substrate, there is no need to conduct wiring by wire bonding or the like, and loss due to wiring is reduced. Furthermore, since weak signals can be amplified near the receiving section, the S/N ratio is improved.

更に、高速撮像を行うために、微小な素子を多数アレイ
状に配列して、電子的走査を行う如く構成した場合にも
、特定の素子を選択するためのマルチプレクサ、ドライ
バ、送受切換え回路、プリアンプ等を、圧電変換部と同
一基板上に形成しているため、デバイス全体が大幅に小
型化される。
Furthermore, in order to perform high-speed imaging, even when a large number of minute elements are arranged in an array and configured to perform electronic scanning, multiplexers, drivers, transmission/reception switching circuits, and preamplifiers are required to select specific elements. etc. are formed on the same substrate as the piezoelectric transducer, so the entire device can be significantly miniaturized.

なお、これらを接続するための加工が不要であることか
ら、素子間の性能のばらつきを大幅に少なくすることが
できる。
Note that since no processing is required to connect these elements, variations in performance between elements can be significantly reduced.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例を示す超音波変換器の構成
を示す図であり、(a)は音響整合層を省いて示す斜視
図、(b)は断面図を示している。図において、10は
シリコン基板、11は下部電極、12はチタン酸鉛(P
bTi○S)の薄膜、13は上部電極、14は音響整合
層、15はドライバ、プリアンプ、送受分離回路等の回
路部、16.16’はポンディングパッド、17.17
’はリード線を示している。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a perspective view with the acoustic matching layer omitted, and (b) is a cross-sectional view. In the figure, 10 is a silicon substrate, 11 is a lower electrode, and 12 is lead titanate (P).
bTi○S) thin film, 13 is an upper electrode, 14 is an acoustic matching layer, 15 is a circuit section such as a driver, preamplifier, transmission/reception separation circuit, etc., 16.16' is a bonding pad, 17.17
' indicates a lead wire.

本実施例に示す超音波変換器においては、第1図に示す
如く、シリコン基板10上に、圧電薄膜を励振するため
のドライバ回路、プリアンプ回路、送受分離回路等から
成る回路部15を形成している。
In the ultrasonic transducer shown in this embodiment, as shown in FIG. 1, a circuit section 15 consisting of a driver circuit for exciting a piezoelectric thin film, a preamplifier circuit, a transmission/reception separation circuit, etc. is formed on a silicon substrate 10. ing.

その後、超音波変換部として、例えば、白金等から成る
下部電極11をまず形成し、その上に、チタン酸鉛を主
成分とする膜厚10μmの薄膜12を、更に、アルミニ
ウムから成る上部電極13を順次積層して構成したもの
である。
Thereafter, as an ultrasonic transducer, a lower electrode 11 made of, for example, platinum is first formed, a thin film 12 with a thickness of 10 μm mainly composed of lead titanate is formed thereon, and an upper electrode 13 made of aluminum is further formed. It is constructed by sequentially laminating layers.

上記チタン酸鉛を主成分とする薄膜12は、高周波マグ
ネトロンスパッタ法で形成されたものである。なお、こ
こでは、スパッタ条件は、高周波パワー50〜200W
で、基板温度500〜600℃、導入カスとしてはアル
ゴン−酸素(90%−10%)混合ガスを用い、ガス圧
を4〜5Paとした。このチタン酸鉛を主成分とする薄
膜は、X線回折の結果、多結晶膜であることがわかった
The thin film 12 whose main component is lead titanate is formed by high frequency magnetron sputtering. Note that here, the sputtering conditions are a high frequency power of 50 to 200 W.
The substrate temperature was 500 to 600° C., argon-oxygen (90%-10%) mixed gas was used as the introduced waste, and the gas pressure was 4 to 5 Pa. As a result of X-ray diffraction, this thin film mainly composed of lead titanate was found to be a polycrystalline film.

上部電極13を形成後、試料を150℃に保持して、上
下電極II、 13間に100Vの電圧を10分間印加
し、分極処理を施した。超音波変換器の上へ、音響整合
層兼保護膜として、厚さ10μmの Sin、膜14を
CVD法で形成した。
After forming the upper electrode 13, the sample was held at 150° C., and a voltage of 100 V was applied between the upper and lower electrodes II and 13 for 10 minutes to perform polarization treatment. On top of the ultrasonic transducer, a 10 μm thick Sin film 14 was formed by CVD as an acoustic matching layer and a protective film.

次に、上部電極のポンディングパッド16.16’から
、ワイヤボンディングによりリード線を引き出した後、
全体を樹脂でモールドし、水中への超音波送波実験を行
った。比較のために、ドライバ。
Next, after pulling out the lead wire from the bonding pad 16, 16' of the upper electrode by wire bonding,
The entire structure was molded with resin, and an experiment was conducted to transmit ultrasonic waves into water. For comparison, the driver.

プリアンプ回路部を別に設けた従来の超音波変換器も構
成し、通常の方法で超音波変換器を励振して、水中の反
射体からのエコーをプリアンプで増幅して検出した。
A conventional ultrasonic transducer with a separate preamplifier circuit was also constructed, and the ultrasonic transducer was excited in the usual way, and the echoes from the underwater reflector were amplified and detected by the preamplifier.

第2図は、上述の二つの超音波変換器を用いて水中に置
かれた反射体からのエコーを比較して示したものである
。従来の構成による超音波変換器による水中反射体エコ
ー(A)に比べて、本実施例による一体型超音波変換器
では、感度が約6dB向上するとともに、ノイズか減少
している。これは、圧電変換部と回路部とを近接させ、
パターンによる配線を行っているために、損失が減少し
ているとともに、不要応答を取り込む確率も小さくなり
、感度およびS/N向上につながっていることを示して
いる。
FIG. 2 shows a comparison of echoes from a reflector placed in water using the two ultrasonic transducers described above. Compared to the underwater reflector echo (A) produced by the conventional ultrasonic transducer, the integrated ultrasonic transducer according to this embodiment has improved sensitivity by about 6 dB and reduced noise. This brings the piezoelectric conversion part and the circuit part close together,
This shows that because the wiring is performed using a pattern, the loss is reduced and the probability of taking in unnecessary responses is also reduced, leading to improvements in sensitivity and S/N.

また、従来の、個別素子を用いた電子回路を別基板上に
配置したものでは、大きさが20〜30mm口となって
いたのが、本実施例の変換器では、2u口の大きさとな
った。
In addition, in the conventional converter in which an electronic circuit using individual elements is placed on a separate board, the size is 20 to 30 mm, but in the converter of this embodiment, the size is 2U. Ta.

次に、本発明の第二の実施例である超音波アレイ変換器
の構成について、第3図を用いて説明する。(a)は音
響整合層を省いて示す斜視図、(b)は断面図を示して
いる。本実施例に示す超音波アレイ変換器は、素子数3
60のアレイ変換器である、図において、記号10〜+
5(15−1−15−n)は、第1図に示したと同じ構
成要素を示している。また、21は特定の素子を選択す
るためのマルチプレクサ、22−1〜22−nは個別素
子を示している。
Next, the configuration of an ultrasonic array transducer according to a second embodiment of the present invention will be explained using FIG. 3. (a) is a perspective view with the acoustic matching layer omitted, and (b) is a cross-sectional view. The ultrasonic array transducer shown in this example has three elements.
60 array transducers, in the figure, symbols 10 to +
5 (15-1-15-n) indicates the same components as shown in FIG. Further, 21 is a multiplexer for selecting a specific element, and 22-1 to 22-n are individual elements.

本実施例に示す超音波アレイ変換器は、横5mm×縦2
5mmのシリコン基板10上に、マルチプレクサ21、
ドライバ、プリアンプ、送受分離回路等の回路部15を
配列し、その後、超音波変換部として、白金等から成る
下部電極II、チタン酸鉛を主成分とする薄膜12.ア
ルミニウムから成る上部電極13を第一の実施例と同様
の方法で順次積層して構成して、更に、回路部15との
位置合わせを行って、フォトリソグラフィーにより、幅
50μm、ギャップ5μm、素子数360のレジストパ
ターンを形成し、上部電極、チタン酸鉛薄膜を順次エツ
チングして、アレイ状の超音波変換素子群22−1〜2
2−nを形成したものである。なお、最後に音響整合層
を形成して、本実施例に示す超音波アレイ変換器が完成
することになる。
The ultrasonic array transducer shown in this example has a width of 5 mm and a length of 2 mm.
On a 5 mm silicon substrate 10, a multiplexer 21,
A circuit section 15 such as a driver, a preamplifier, a transmission/reception separation circuit, etc. is arranged, and then, as an ultrasonic conversion section, a lower electrode II made of platinum or the like, a thin film 12 mainly made of lead titanate, etc. are arranged. The upper electrode 13 made of aluminum is constructed by sequentially stacking layers in the same manner as in the first embodiment, and is further aligned with the circuit section 15 to form a width of 50 μm, a gap of 5 μm, and the number of elements by photolithography. 360 resist patterns are formed, and the upper electrode and the lead titanate thin film are sequentially etched to form an array of ultrasonic transducer elements 22-1 to 22-2.
2-n is formed. Incidentally, an acoustic matching layer is finally formed to complete the ultrasonic array transducer shown in this example.

本実施例に示す超音波アレイ変換器は、前述の如く、5
 mm X 25mmの大きさの中に360チヤネルを
収容することが可能である。これを、従来の、個別素子
を用いた電子回路を別基板上に配置する方式で作成した
場合には、大きさが100 X 100mm口以上とな
っていたものである。
As mentioned above, the ultrasonic array transducer shown in this example has five
It is possible to accommodate 360 channels within a size of mm x 25 mm. If this was created using the conventional method of arranging electronic circuits using individual elements on separate substrates, the size would be 100 x 100 mm or more.

しかも、本実施例による超音波アレイ変換器では、ノイ
ズレベルが低く抑えられている。これは前述の如く、圧
電変換部と回路部とを近接させ、パターンによる配線を
行っているためである。
Moreover, in the ultrasonic array transducer according to this embodiment, the noise level is suppressed to a low level. This is because, as described above, the piezoelectric conversion section and the circuit section are placed close to each other and wiring is performed using a pattern.

また、超音波アレイ変換器においては、各素子の特性ば
らつきが画質に大きな影響を及ぼすが、上記実施例に示
した超音波アレイ変換器においては、ばらつきの原因で
あるパッケージング、ボンディングが不要となることか
ら、上述の如きばらつきはなくなり、感度の均一性が向
上した。
In addition, in an ultrasonic array transducer, variation in the characteristics of each element has a large effect on image quality, but the ultrasonic array transducer shown in the above example eliminates the need for packaging and bonding, which are the causes of variation. As a result, the above-mentioned variations were eliminated and the uniformity of sensitivity was improved.

一方、超音波アレイ変換器においては、各素子のピッチ
および素子幅は、サイドローブが少ない超音波ビームを
形成する必要から、その値が決定される。これに関して
は、上記実施例に示した超音波アレイ変換器においては
、回路部15を、素子22−1〜22−nの両側に、交
互に配置することによって、スペースの有効利用を可能
としている。
On the other hand, in an ultrasonic array transducer, the pitch and width of each element are determined based on the need to form an ultrasonic beam with few side lobes. Regarding this, in the ultrasonic array transducer shown in the above embodiment, the circuit sections 15 are arranged alternately on both sides of the elements 22-1 to 22-n, thereby making it possible to utilize the space effectively. .

第4図に、上記実施例に示した超音波アレイ変換器の素
子のうちの16素子を用いて、各素子に少しずつ位相の
異なる信号を与えて励振した超音波ビームプロファイル
を示した。−6dBでのビーム幅は約40μmでこれは
計算値と一致した。このようにして形成された超音波ビ
ームは、使用するアレイ素子エレメントを1つずつずら
すことで、電子的走査を行うことができる。
FIG. 4 shows an ultrasonic beam profile obtained by exciting 16 elements of the ultrasonic array transducer shown in the above embodiment by applying signals with slightly different phases to each element. The beam width at −6 dB was approximately 40 μm, which agreed with the calculated value. The ultrasonic beam thus formed can be electronically scanned by shifting the array elements used one by one.

次に、本発明の第三の実施例である超音波薄膜アレイ変
換器について、第5図により説明する。
Next, an ultrasonic thin film array transducer which is a third embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG.

(a)は音響整合層を省いて示す斜視図、(b)は断面
図を示している9図において、記号10〜15(151
〜l5−n)、21.22−1〜22−nは、第1図お
よび第3図に示したと同じ構成要素を示している。また
、31は後述する複合共振モードのための、シリコン基
板10に設けられた溝、32は該溝31内に充填された
バッキング材を示している。
In Figure 9, (a) is a perspective view with the acoustic matching layer omitted, and (b) is a cross-sectional view, symbols 10 to 15 (151
15-n), 21.22-1 to 22-n indicate the same components as shown in FIGS. 1 and 3. Further, 31 indicates a groove provided in the silicon substrate 10 for a complex resonance mode to be described later, and 32 indicates a backing material filled in the groove 31.

本実施例に示す超音波薄膜アレイ変換器は、シリコン基
板10を異方性エツチング等の方法によって裏面から研
削して、圧電薄膜12を形成する部分のシリコン基板を
薄く加工し、薄膜12と基板10とが一体となって共振
する複合共振モードを利用するものである。
The ultrasonic thin film array transducer shown in this embodiment is manufactured by grinding a silicon substrate 10 from the back side using a method such as anisotropic etching to make the silicon substrate thinner in the area where the piezoelectric thin film 12 is to be formed. This utilizes a composite resonance mode in which the 10 and 10 resonate together.

本実施例に示す超音波薄膜アレイ変換器においては、横
10mmX縦40mm、厚さ300μmのシリコン基板
の片面に、第二の実施例に示したと同様の方法で、回路
部+5−1−15−nおよび超音波変換素子22−1〜
22−nを形成する。次に、これらの素子形成部を樹脂
で保護した後、裏面にレジストパターンを形成して、水
酸化カリウム水溶液でシリコン基板の異方性エツチング
を行い、溝部31を形成した。また、チタン酸鉛薄膜1
2の膜厚を5μm、溝部31の基板の厚さを20μm、
1素子の幅を90μm、ギャップを10μmとした。
In the ultrasonic thin film array transducer shown in this embodiment, a circuit section +5-1-15- n and ultrasonic conversion elements 22-1~
22-n is formed. Next, after protecting these element formation parts with resin, a resist pattern was formed on the back surface, and the silicon substrate was anisotropically etched with an aqueous potassium hydroxide solution to form grooves 31. In addition, lead titanate thin film 1
The thickness of the film 2 is 5 μm, the thickness of the substrate of the groove 31 is 20 μm,
The width of one element was 90 μm, and the gap was 10 μm.

まず、単一の素子を励振して、その波形を調べた。第6
図にその波形を示した。この結果は、振動の尾引きが若
干長くなってはいるものの、周波数は約100MH2で
あり、高周波数の振動子を得ることができる。なお、こ
れは、薄膜と基板全体が一体となって共振するモード(
複合共振モード)に対応しているものである。複合共振
モードを利用する超音波変換器に関しては、本出願人に
よる米国特許筒4,803,392号(特願昭61−2
25935号、特開昭63−82100号に対応)に開
示された技術を有効に応用することが可能である。
First, they excited a single element and examined its waveform. 6th
The waveform is shown in the figure. As a result, although the vibration tail is slightly longer, the frequency is approximately 100 MH2, and a high frequency vibrator can be obtained. Note that this is a mode in which the thin film and the entire substrate resonate together (
It corresponds to the complex resonance mode). Regarding ultrasonic transducers that utilize complex resonance modes, US Pat.
25935 (corresponding to Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-82100) can be effectively applied.

次に、超音波変換部に音響整合層14を形成し、シリコ
ン基板の溝部31にバッキング材32を充填した。この
超音波変換器を用いて、第二の実施例と同様に、16素
子を用いて超音波ビームを形成したところ、やはり、収
束ビームが得られ、そのビーム幅は約80μmであった
。また、シリコン基板の溝部31にバッキング材32を
充填していないものと比較して、ビームの尾引きがかな
り短くなるという効果が得られた。
Next, an acoustic matching layer 14 was formed on the ultrasonic transducer, and a backing material 32 was filled in the groove 31 of the silicon substrate. When this ultrasonic transducer was used to form an ultrasonic beam using 16 elements in the same manner as in the second example, a convergent beam was also obtained, and the beam width was about 80 μm. Furthermore, compared to the case where the groove portion 31 of the silicon substrate was not filled with the backing material 32, the effect that the tail of the beam was considerably shortened was obtained.

この超音波変換器の大きさは、前述の如く、lOam 
X 40mm程度の大きさであり、従来の、個別素子を
用いた電子回路を別基板上に配置する方式で作成した場
合には、大きさが+00 X 100+++m口以上と
なっていたものである。
As mentioned above, the size of this ultrasonic transducer is lOam
The size is about 40mm x 40mm, and if it was created using the conventional method of arranging an electronic circuit using individual elements on a separate board, the size would be more than +00mm x 100mm.

なお、上記バッキング材としては、例えば、エポキシ樹
脂等が有効であり、特に充填材を加えたエポキシ樹脂が
有効である。
Note that as the backing material, for example, an epoxy resin is effective, and an epoxy resin containing a filler is particularly effective.

上述の、第三の実施例に示した超音波薄膜アレイ変換器
の改良型として、更に高感度で超音波を送受信できる構
造を、第7図に示した。第7図の(a)には、その断面
構造を示している。前述の各実施例においては、チタン
酸鉛を主成分とする薄膜は、無配向の多結晶体として形
成されている、しかし、チタン酸鉛は、その結晶のC軸
方向の厚み振動の圧電性が特に高いので、C軸配向膜を
形成することにより、高感度化が達成される。
As an improved version of the ultrasonic thin film array transducer shown in the third embodiment, a structure capable of transmitting and receiving ultrasonic waves with even higher sensitivity is shown in FIG. FIG. 7(a) shows its cross-sectional structure. In each of the above-mentioned examples, the thin film containing lead titanate as a main component is formed as an unoriented polycrystalline body. is particularly high, high sensitivity can be achieved by forming a C-axis oriented film.

このために、本実施例においては、シリコン基板10上
の、超音波変換素子形成部分に、0.2〜0.3μmピ
ッチの微細な鋸歯状グレーティング41を形成したもの
である。以下、その詳細を説明する。
For this purpose, in this embodiment, fine sawtooth gratings 41 with a pitch of 0.2 to 0.3 μm are formed on the silicon substrate 10 in the area where the ultrasonic transducer elements are formed. The details will be explained below.

上述の、サブミクロンピッチの鋸歯状グレーティング4
1は、レーザーホログラフィ露光技術とシリコンの異方
性エツチング技術を用いて形成したものである。この場
合、アレイの素子に相当する部分のみに上記グレーティ
ング41を形成し、他の部分は平坦なままとした。この
基板を熱酸化してグレーティング1141が、Sin、
で覆われるようにした後、第二、第三の実施例に示した
と同様の手順で、電子回路部15−1〜15−nを形成
した。
Submicron pitch serrated grating 4 described above
1 is formed using laser holography exposure technology and silicon anisotropic etching technology. In this case, the grating 41 was formed only in the portions corresponding to the elements of the array, and the other portions were left flat. This substrate is thermally oxidized to form a grating 1141 of Sin,
After that, electronic circuit parts 15-1 to 15-n were formed using the same procedure as shown in the second and third embodiments.

その後、グレーティング形成面に、電子ビーム蒸着によ
り、白金膜を形成し、熱処理を行った。
Thereafter, a platinum film was formed on the grating formation surface by electron beam evaporation, and heat treatment was performed.

白金は f、c、c、構造の結晶であるので、平板上で
は、容易に(111)配向する。この白金を70.5度
の角度を以って相対する鋸歯状グレーティング41上に
形成すると、各々の面に(111)配向するため、見掛
は上、(100)配向膜が形成される。
Since platinum is a crystal with an f, c, c structure, it is easily (111) oriented on a flat plate. When this platinum is formed on the sawtooth gratings 41 facing each other at an angle of 70.5 degrees, each surface is (111) oriented, so that an apparently upward (100) oriented film is formed.

この状況を第7図(b)、(c)に示した。This situation is shown in FIGS. 7(b) and (c).

上述の如く形成した(100)白金膜上に、高周波マグ
ネトロンスパッタ法により、チタン酸鉛を主成分とする
薄膜12を形成した。この薄膜をX線回折により評価し
たところ、(OOQ)(Q=1.2.3)回折線のみが
検出された。従って、このチタン酸鉛を主成分とする薄
膜工2は、C軸配向していることが明らかになった。更
に、上部電極13を形成して、アレイ状にパターニング
することによって、超音波変換部が形成された。
A thin film 12 containing lead titanate as a main component was formed on the (100) platinum film formed as described above by high frequency magnetron sputtering. When this thin film was evaluated by X-ray diffraction, only the (OOQ) (Q=1.2.3) diffraction line was detected. Therefore, it has been revealed that the thin film material 2 containing lead titanate as a main component has C-axis orientation. Furthermore, an upper electrode 13 was formed and patterned into an array, thereby forming an ultrasonic transducer.

次に、この超音波変換部を樹脂で保護した後、第三の実
施例と同様に、シリコン基板を裏側からエツチングした
。そして、これらの素子のうちの1つを先程と同電圧で
励振し、感度を比較したところ、lod 8以上の感度
向上が達成された。複合共振としての実効的な電気機械
結合係数keffも0.35と充分大きかった。これは
、チタン酸鉛をC軸配向させて形成したことで、圧電性
が大きく向上したことを示すものである。
Next, after protecting this ultrasonic converting section with a resin, the silicon substrate was etched from the back side as in the third embodiment. Then, when one of these elements was excited with the same voltage as before and the sensitivity was compared, an improvement in sensitivity of lod 8 or more was achieved. The effective electromechanical coupling coefficient keff as complex resonance was also sufficiently large at 0.35. This shows that piezoelectricity was greatly improved by forming lead titanate with C-axis orientation.

上記実施例に示した、グレーティングを利用した結晶成
長法は、第一、第二の実施例に示した厚み共振モードの
超音波変換器においても、利用することが可能であるこ
とは言うまでもない。グレーティングを利用した結晶成
長法を利用する超音波変換器に関しては、本出願人によ
る米国特許筒4.677.336号(特願昭60−19
446号、特開昭61−177900号に対応)に開示
された技術を有効に応用することが可能である。
It goes without saying that the crystal growth method using a grating shown in the above embodiment can also be used in the thickness resonance mode ultrasonic transducer shown in the first and second embodiments. Regarding an ultrasonic transducer using a crystal growth method using a grating, US Pat.
It is possible to effectively apply the technique disclosed in No. 446 (corresponding to Japanese Patent Application Laid-open No. 61-177900).

次に、本発明の他の実施例として、血管等の微細な部分
を観察するための針先セ〉・すについて、第8図により
説明する。
Next, as another embodiment of the present invention, a needle tip section for observing minute parts such as blood vessels will be described with reference to FIG.

(a)は側断面図、(b)は要部平面図を示している。(a) shows a side sectional view, and (b) shows a main part plan view.

透明ナイロンまたはポリ4−メチルペンテン等で構成さ
れた細管51の内部に、シリコン基板10が設置され、
この上に超音波アレイ変換部22および電子回路部15
が一体化されて形成されている。
A silicon substrate 10 is placed inside a thin tube 51 made of transparent nylon, poly-4-methylpentene, etc.
On top of this, an ultrasonic array conversion section 22 and an electronic circuit section 15 are provided.
are integrated and formed.

超音波は、減衰の少ない充填材14を通過して窓部52
から放射される。
The ultrasonic waves pass through the filler 14 with low attenuation and enter the window 52.
radiated from.

本実施例においても、超音波アレイ変換部22を他の電
子回路部15と一体化したことで、大幅に小型化が図ら
れている。全体の大きさは、2mmφとなっており、本
装置を血管内に挿入して、血管内の狭窄部を調べること
が可能になる。
In this embodiment as well, by integrating the ultrasonic array conversion section 22 with the other electronic circuit section 15, the size can be significantly reduced. The overall size is 2 mmφ, and this device can be inserted into a blood vessel to examine the stenosis within the blood vessel.

上記各実施例は、本発明の一例を示したものであり、本
発明はこれらに限定されるべきものではないことは言う
までもない。
It goes without saying that each of the above embodiments is an example of the present invention, and that the present invention is not limited thereto.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上、詳細に説明した如く、本発明によれば、半導体基
板上に、薄膜圧電変換部とともに該圧電変換部の信号処
理回路部を、当該圧電変換部の極く近くに、パターン配
線により接続して設置したことにより、血管等の微小部
へ挿入して像が得られるような小型センサを形成するた
めに用い得る超音波変換器を実現することができ、また
、実装を簡便にし、高感度で、かつ、素子間の性能のば
らつきを低減させることが可能な超音波変換器を実現で
きるという効果を奏するものである。
As described above in detail, according to the present invention, the thin film piezoelectric transducer and the signal processing circuit section of the piezoelectric transducer are connected on the semiconductor substrate very close to the piezoelectric transducer by pattern wiring. By installing the ultrasonic transducer, it is possible to realize an ultrasonic transducer that can be used to form a small sensor that can be inserted into minute parts such as blood vessels to obtain images. Moreover, it is possible to realize an ultrasonic transducer that can reduce variations in performance between elements.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例を示す超音波変換器の構成を
示す図、第2図は第1図に示した変換器と従来型の変換
器との検出二ロー波形の比較図、第3図は本発明の第二
の実施例を示す構成図、第4図は第3図に示した変換器
を用いて形成した超音波ビームのプロファイル、第5図
は本発明の第三の実施例を示す構成図、第6図は第5図
に示した変換器の検出エコー波形図、第7図は本発明の
他の実施例を示す要部構成図、第8図は本発明の更に他
の実施例を示す要部構成図である。 10、シリコン基板、11・下部電極、12  チタン
酸鉛の薄膜、13二上部電極、14:音響整合層、15
:回路部、16.16’ :ボンディングパッド、17
.17リード線、21.マルチプレクサ、22:個別超
音波変換素子、31  溝、32:パッキング材、41
.鋸歯状グレーティング、51:細管、52:窓部。 (a) 第 ■ 図 第 2 図 一一一→− 0ns 第 図 中心からの距離(rrm ) 第 図 fa) 第 図 (al 1 2 第 6 図 on s 第 図 fa) (b) (111) ↑ (c) (100)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a comparison diagram of detected two-row waveforms between the transducer shown in FIG. 1 and a conventional transducer. FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, FIG. 4 is a profile of an ultrasonic beam formed using the transducer shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. FIG. 6 is a block diagram showing the detected echo waveform of the converter shown in FIG. 5. FIG. 7 is a block diagram of main parts showing another embodiment of the present invention. FIG. FIG. 7 is a main part configuration diagram showing still another embodiment. 10. Silicon substrate, 11. Lower electrode, 12. Thin film of lead titanate, 13. Upper electrode, 14. Acoustic matching layer, 15.
:Circuit part, 16.16' :Bonding pad, 17
.. 17 lead wire, 21. Multiplexer, 22: Individual ultrasonic conversion element, 31 Groove, 32: Packing material, 41
.. Serrated grating, 51: tubule, 52: window. (a) Figure ■ Figure 2 Figure 111 → - 0ns Distance from the center of the Figure (rrm) Figure fa) Figure (al 1 2 Figure 6 on s Figure fa) (b) (111) ↑ (c) (100)

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.半導体基板上に、薄膜圧電変換部とともに該圧電変
換部の信号処理回路部を、当該圧電変換部の極く近くに
、パターン配線により接続して設置したことを特徴とす
る超音波変換器。
1. 1. An ultrasonic transducer characterized in that a thin film piezoelectric transducer and a signal processing circuit of the piezoelectric transducer are installed on a semiconductor substrate in close proximity to the piezoelectric transducer, connected by pattern wiring.
2.前記半導体基板が、シリコン基板であることを特徴
とする請求項1記載の超音波変換器。
2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate.
3.前記圧電変換部に、チタン酸鉛を主成分とする薄膜
が形成されていることを特徴とする請求項1または2記
載の超音波変換器。
3. 3. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein a thin film containing lead titanate as a main component is formed in the piezoelectric transducer.
4.前記薄膜圧電変換部は、微細な素子が多数アレイ状
に配列されて形成されていることを特徴とする請求項1
〜3のいずれかに記載の超音波変換器。
4. 1. The thin film piezoelectric transducer is formed by arranging a large number of fine elements in an array.
4. The ultrasonic transducer according to any one of 3 to 3.
5.前記信号処理回路部を、前記薄膜圧電変換部の両側
に交互に配置したことを特徴とする請求項1〜4のいず
れかに記載の超音波変換器。
5. 5. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the signal processing circuit sections are arranged alternately on both sides of the thin film piezoelectric transducer section.
6.前記半導体基板の前記薄膜圧電変換部の裏面側に、
溝が形成されていることを特徴とする請求項1〜5のい
ずれかに記載の超音波変換器。
6. On the back side of the thin film piezoelectric conversion section of the semiconductor substrate,
The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a groove is formed.
7.前記半導体基板裏面側の溝に、超音波吸収材が充填
されていることを特徴とする請求項6記載の超音波変換
器。
7. 7. The ultrasonic transducer according to claim 6, wherein the groove on the back side of the semiconductor substrate is filled with an ultrasonic absorbing material.
8.前記半導体基板の圧電変換部下層部に、鋸歯状のグ
レーティングが形成され、該グレーティング上に、金属
膜から成る電極と、チタン酸鉛を主成分とする薄膜から
成る圧電変換部が形成されていることを特徴とする請求
項1〜7のいずれかに記載の超音波変換器。
8. A sawtooth grating is formed in the piezoelectric conversion lower layer of the semiconductor substrate, and an electrode made of a metal film and a piezoelectric conversion part made of a thin film mainly composed of lead titanate are formed on the grating. The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
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