CN101559420A - 超声波转换器以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波转换器以及电子设备。该超声波转换器包括超声波振子单元、第1导电层、驻极体膜、绝缘层和第2导电层；上述超声波振子单元配置在基板的一侧表面上，包括下部电极、配置在上述下部电极上的第1空隙部和配置在上述第1空隙部上的上部电极；上述第1导电层配置在上述基板的另一侧表面上，与上述下部电极和上述上部电极中的任意一个电连接；上述驻极体膜配置在上述第1导电层上；上述绝缘层配置在上述驻极体膜上；上述第2导电层配置在上述绝缘层上，与上述下部电极和上述上部电极中的、未与上述第1导电层电连接的电极电连接。

Description

超声波转换器以及电子设备

技术领域

本发明涉及具有驻极体的静电容量型超声波转换器以及电子设备。

背景技术

以往，作为超声波转换器，主要使用压电陶瓷材料PZT(锆钛酸铅)等压电元件，但近年来如日本特表2005-510264号公报所公开的那样的静电容量型超声波转换器受到关注。

静电容量型超声波转换器具有由隔着空隙部而相面对的上部电极以及下部电极构成的一对电极，利用包括上部电极的膜状部(也称为膜片或隔膜)的振动来进行超声波的发送、接收。

静电容量型超声波转换器在接收超声波时根据上部电极与下部电极之间的静电容量的变化而将超声波信号转换成电信号，因此特别是在接收超声波时需要对上部电极与下部电极之间施加DC偏置电压。

为了实现超声波转换器的低耗电化以及小型化，优选降低DC偏置电压的电压值或使其为零。在此，公知有如下技术：在静电容量型超声波转换器的上部电极与下部电极之间配设用于保持电荷的驻极体膜，从而使上部电极与下部电极之间产生电位差，降低DC偏置电压。

在静电容量型超声波转换器中，在将具有用于降低DC偏置电压而能够稳定地保持足够量的电荷的厚度的驻极体膜配设在上部电极与下部电极之间的情况下，由于上部电极与下部电极之间的距离较远，因此静电容量下降，静电容量型超声波转换器的输出和灵敏度降低。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而做成的，目的在于提供一种具有驻极体膜而能在降低DC偏置电压的同时具有充分的输出以及灵敏度的超声波转换器以及电子设备。

本发明的超声波转换器的特征在于，包括基板、超声波振子单元、第1导电层、驻极体膜、绝缘层和第2导电层；上述超声波振子单元配置在上述基板的一侧表面上，包括下部电极、配置在上述下部电极上的第1空隙部、以及配置在上述第1空隙部上的上部电极；上述第1导电层配置在上述基板的另一侧表面上，与上述下部电极以及上述上部电极中的任意一个电连接；上述驻极体膜配置在上述第1导电层上；上述绝缘层配置在上述驻极体膜上；上述第2导电层配置在上述绝缘层上，与上述下部电极以及上述上部电极中的、未与上述第1导电层电连接的电极电连接。

附图说明

图1是从超声波发送方向观察超声波转换器的俯视图。

图2是表示超声波转换器的概略结构的立体图。

图3是图1的III-III剖视图。

图4是表示超声波转换器的变形例的剖视图。

图5是说明超声波内窥镜的概略结构的图。

图6是说明超声波内窥镜的前端部分的结构的立体图。

图7是表示超声波发送·接收部的立体图。

图8是说明超声波探伤装置的概略结构的图。

图9是说明超声波显微镜的概略结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的超声波转换器的优选实施方式。另外，在下述说明所用的各附图中，将各构成元件形成为能在附图上识别程度的大小，因此每个构成元件的比例尺均不同，本发明并不只限定于上述附图所记载的构成元件的数量、构成元件的形状、构成元件的大小的比率、以及各构成元件的相对位置关系。

图1是从超声波发送方向观察超声波转换器的俯视图。图2是表示超声波转换器的概略结构的立体图。图3是图1的III-III剖视图。图4是表示超声波转换器的变形例的剖视图。

超声波转换器1在基板2的一侧表面2a上配设有超声波振子单元10，在基板2的另一侧表面2b上配设有驻极体膜20。

以下，对于配设在基板2的一侧表面2a或另一侧表面2b上的构成元件的上下关系，以沿法线方向自各自的表面远离为上方。例如，在图3的剖视图中，在基板2的一侧表面2a上，称上部电极12配设在下部电极11的上方，另外在基板2的另一侧表面2b上、称第2导电层22配设在第1导电层21的上方。

构成基板2的材料没有特别限定，可以用具有导电性的材料构成，也可以用具有电绝缘性的材料构成。在本实施方式中，基板2由氧化硅、氮化硅、石英、蓝宝石、水晶、氧化铝、氧化锆、玻璃、或树脂等公知的绝缘性材料构成。

超声波振子单元10包括配设在基板2的一侧表面2a上的平板状的下部电极11、和与该下部电极11隔着第1空隙部13地相面对地配设在该下部电极11上的平板状的上部电极12。

上部电极12由绝缘层14以大致平行于下部电极11的方式支承，该绝缘层14配设在下部电极11上并由具有绝缘性的材料构成。超声波振子单元10在进行超声波的发送、接收时，包含位于第1空隙部13的上方的绝缘层14以及上部电极12的膜状部15进行振动。

从声音特性上考虑更优选膜状部15的形状在俯视观察基板2的情况下是如图所示的圆形，但也可以是长圆形、椭圆形或多边形。另外，在1个超声波转换器1中配设有多个超声波振子单元10的情况下，多个超声波振子单元10也可以包括具有多种不同形状的膜状部15。

另外，优选以覆盖下部电极11的第1空隙部13侧的面和上部电极12的第1空隙部13侧的面中的至少一个面的方式配设绝缘层14，并且该绝缘层14具有防止下部电极11与上部电极12相接触而发生短路的功能。

在本实施方式中，如图3所示，下部电极11与形成在基板2的一侧表面2a上的信号电极垫片31电连接。上部电极12利用未图示的配线与形成在基板2的一侧表面2a上的接地电极垫片32电连接。

在俯视观察基板2的一侧表面2a时，信号电极垫片31和接地电极垫片32是在未与超声波振子单元10重合的位置上露出地配设而成的电极，用于驱动超声波振子1的驱动电路借助该信号电极垫片31和接地电极垫片32电连接起来。

另外，例如如图3所示，也可以防止氧化、防止损坏、或提高耐湿性等为目的在超声波振子单元10上配设树脂制的保护膜16。

另一方面，在基板2的与配设有上述超声波振子单元10的表面相反的一侧的表面即另一侧表面2b上配设有对超声波振子单元10的下部电极11和上部电极12之间施加电位差的驻极体膜20。

详细说明基板2的另一侧表面2b上的结构。首先在基板2的另一侧表面上配设有由导电性材料构成的平板状的第1导电层21。该第1导电层21借助贯穿基板2地设置的通孔内的贯穿电极3与下部电极11电连接。

在第1导电层21上隔着具有电绝缘性的绝缘层地配设有驻极体膜20。公知驻极体膜20具有持久性地保持极性为正电荷或负电荷的功能，其结构以及形成方法没有特别限定。

例如，在利用无机膜构成驻极体膜20的情况下，利用离子束、电晕放电对由硅化合物或铪化合物等构成的无机膜注入电荷，从而形成驻极体膜20。另外，驻极体膜20也可以具有由多种材料构成的层叠构造。例如在利用SiO₂形成驻极体膜20、并利用由SiN构成的绝缘膜包覆该驻极体膜20时，即使在高温条件下也能抑制所保持的电荷的消失，因此是好的。

另外例如，在利用有机膜构成驻极体膜20的情况下，利用电晕放电向由氟树脂、聚酰亚胺、聚丙烯或聚甲基戊稀等构成的树脂膜中注入电荷，从而形成驻极体膜20。

在本实施方式中，利用第2空隙部23和由具有电绝缘性的材料构成的绝缘膜24来构成夹装在第1导电层21与驻极体膜20之间的绝缘层。

夹装在第1导电层21和驻极体膜20之间的绝缘层并不限定于该方式，例如也可以是只利用第2空隙部23使驻极体膜20和第1导电层21电绝缘的方式，还可以是只利用绝缘膜24使驻极体膜20和第1导电层21电绝缘的方式。

如本实施方式所述，利用绝缘膜24覆盖驻极体膜20的表面能够抑制驻极体膜20所保持的电荷的消失，因此更好。

在驻极体膜20上、即驻极体膜20的与第1导电层21侧相反的一侧上配设有由导电性材料构成的平板状的第2导电层22，该第2导电层22大致平行于第1导电层21地与第1导电层21相面对地配设。驻极体膜20和第2导电层22既可以相接触地配设，也可以在两者之间夹装有用于防止第2导电层22的表面氧化的具有导电性或电绝缘性的膜。

第2导电层22借助贯穿基板2设置的通孔内的贯穿电极4与接地电极垫片32电连接。即、第2导电层22与上部电极12电连接。

另外，本实施方式并不限定于电连接第1导电层21以及第2导电层22的结构、和电连接下部电极11以及上部电极12的结构，例如，也可以是采用借助环绕基板2的外周部地设置的配线电连接第1导电层21以及第2导电层22、和下部电极11以及上部电极12的结构。

上述驻极体膜20和第2导电层22由绝缘膜24支承。换言之，绝缘层24以在驻极体膜20与第1导电层21之间形成有第2空隙部23、且使第1导电层21和第2导电层22大致平行的方式支承驻极体膜20和第2导电层22。

如图3所示，在第2空隙部23是封闭的空间即气密地构成、且第1导电层21的表面露出在第2空隙部23内的情况下，优选以防止第1导电层21氧化为目的，使第2空隙部23为真空、或填充有干燥的惰性气体。另外，在第2空隙部23不是气密地构成的情况下，优选第1导电层21的表面被用于防止氧化的保护膜覆盖。

另外，如图4所示，驻极体膜20也可以与第1导电层21相接触地配设，在该驻极体膜20上配设有由第2空隙部23和绝缘膜24构成的绝缘层，另外在该绝缘层上也可以配设有第2导电层22。

下面，说明具有上述结构的超声波转化器1的效果。

在具有上述结构的超声波转换器1中，用于使超声波振子单元10的下部电极11和上部电极12之间产生电位差的驻极体膜20配设在基板2的与配设有超声波振子单元10的一面(一侧表面2a)相反一侧的面(另一侧表面2b)上。

因此，在本实施方式的超声波转换器1中，能够分别独立地设定驻极体膜20的厚度、和下部电极11与上部电极12之间的距离。

即、相比以往的在上部电极与下部电极之间配设有驻极体膜的静电容量型超声波转换器、采用本实施方式能够缩小下部电极11与上部电极12之间的距离从而增大两电极间的静电容量，提高发送超声波的声压以及接收超声波的灵敏度，并且能够增大驻极体膜20的厚度直到能使该驻极体膜20持久稳定地保持电荷。

因而，本实施方式的超声波转换器1通过具有驻极体膜20能降低施加于下部电极11与上部电极12之间的DC偏置电压，或不需要施加DC偏置电压，并且相比以往的超声波转换器具有更高的输出以及灵敏度。

另外，本实施方式的超声波转换器能够比以往加厚驻极体膜20，因此能够使驻极体膜20的电荷保持功能稳定，更长时间地保持功能。

另外，在本实施方式中，在俯视观察基板2的情况下，驻极体膜20配设在与超声波振子单元10重合的位置上，因此本实施方式的超声波转换器1能够实现与以往的在上部电极与下部电极之间配设有驻极体膜的超声波转换器相同的大小。

另外，通常为了使超声波不衰减地进行传播，有时在发送、接收超声波的表面与液体相接触的状态下使用超声波转换器。另一方面，有时因驻极体膜20与水分相接触而使所保持的电荷消失。在本实施方式中，驻极体膜20配设在与用于发送、接收超声波的表面相反的一侧上，因此能够防止水分进入驻极体膜20，从而提高超声波转换器1的耐久性。

但是，在以往的在上部电极与下部电极之间配设有驻极体膜的超声波转换器中，存在由于受到在向驻极体膜中注入电荷之后进行的工序中的环境气体的成分、湿度、温度的影响，驻极体膜所保持的电荷消失这样的问题。因而，在以往的超声波转换器中，构成驻极体膜的材料、能够在向驻极体膜中注入了电荷之后实施的工艺方法是有限的。

相对与此，在制造上述超声波转换器1的情况下，能够在分别单独地制造配设在基板2的一侧表面2a上的超声波振子单元10、和配设在另一侧表面2b上的驻极体膜20之后组合它们。

因而，在将电荷注入驻极体膜20中之后，能够使驻极体膜20不会处于所保持的电荷消失的环境下地将该驻极体膜20配置在超声波转换器1内。即、具有上述结构的超声波转换器1提高了在构成材料的选定、工艺方法的选定等设计的自由度，因此相比以往能更便宜地实现更高的性能。另外，由于提高了构成材料的选定自由度，因此超声波转换器1能够由使用不含铅的材料等环境负荷更低的材料构成。

另外，上述的超声波转换器1能够利用半导体制造技术、微细机械加工技术等各种制造技术来制造。因此形成超声波转换器1的方法没有特别限定，例如能够利用MEMS(MicroElectro Mechanical Systems微电子机械系统)工艺。利用MEMS工艺做成的超声波转换器通常被称作c-MUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，电容式微加工超声波传感器)。

接下来，参照图5～图9说明可以应用本发明的超声波转换器的电子设备的例子。

参照图5～图7说明将本发明的超声波转换器1应用在作为超声波诊断装置的一个例子的超声波内窥镜中的方式。图5是表示超声波内窥镜的概略结构的说明图。图6是表示超声波内窥镜的前端部分的结构的立体图。图7是超声波发送·接收部的立体图。

如图5所示，本实施方式的超声波内窥镜101主要包括导入到被检体的体内的细长的插入部102、位于该插入部102的基端的操作部103和自该操作部103的侧部延伸出的通用线缆104。

在上述通用线缆104的基端部上设有与未图示的光源装置相连接的内窥镜连结器104a。自该内窥镜连结器104a延伸出电缆105以及超声波缆106；上述电缆105借助电连结器105a装卸自如地与未图示的照相机控制单元相连接；上述超声波缆106借助超声波连结器106a装卸自如地与未图示的超声波观测装置相连接。

上述插入部102自前端侧依次连续设置前端硬质部120、弯曲自由的弯曲部108和挠性管部109；上述前端硬质部120由硬质的构件形成；上述弯曲部108位于该前端硬质部120的后端；上述挠性管部109位于该弯曲部108的后端，直到上述操作部103的前端部为细长形状，并具有挠性。另外，在上述前端硬质部120的前端侧上设有下述的用于发送、接收超声波的超声波发送·接收部130。

在上述操作部103上设有用于沿期望方向弯曲控制上述弯曲部108的角度旋钮111、用于进行送气以及送水操作的送气·送水按钮112、用于进行吸引操作的吸引按钮113、和形成导入到腔内的处置用具的入口的处置用具插入口114等。

如图6所示，在前端硬质部120上设有构成用于将照明光照射在观察部位上的照明光学部的照明透镜(未图示)、构成用于捕捉观察部位的光学图像的观察光学部的物镜121、作为用于吸引切掉的部位或用于处置用具突出的开口的吸引兼钳子口122以及用于进行送气和送水的送气送水口(未图示)。

设在前端硬质部120的前端上的超声波发送·接收部130如图7所示，在使超声波振子单元10朝向外周方向的状态下呈圆筒状地排列有多个超声波转换器1。

基板2是利用聚酰亚胺等具有挠性的材料构成的，并卷绕成圆筒状。在该卷绕成圆筒状的基板2的外周面上沿着周向排列有由多个超声波振子单元10构成、且作为最小驱动单位的超声波振子元件34，在基板2的内周面上配设有与多个超声波振子元件34相对应的驻极体20。

另外，在基板2的外周面上形成有与多个超声波振子元件34相对应的信号电极垫片31和接地电极垫片32，在该信号电极垫片31和接地电极垫片32上电连接有穿过超声波缆6而一端与超声波连结器6a电连接的、同轴电缆33的另一端。

另外，本发明的超声波转换器1并不限定于上述超声波内窥镜，能够应用在以往公知的超声波诊断装置中。例如，也可以应用在超声波探头型的超声波内窥镜、胶囊型的超声波内窥镜、或自被检体外向被检体内发送超声波或自被检体外接收来自被检体内的超声波的形态的超声波诊断装置中。

参照图8说明将本发明的超声波转换器1应用在作为非破坏检查装置的一个例子的超声波探伤装置中的实施方式。图8是表示超声波探伤装置的概略结构的说明图。

超声波探伤装置200包括用于发送、接收超声波的探头202和用于控制该探头202的装置主体部203。

在装置主体部203的前面中央处设有显示用于探伤的图像的显示装置206，在该显示装置206的附近设有承担各种作用的开关207。

另外，探头202利用复合同轴缆线208与装置主体部203相连接。在抵接于探头202的被检体的抵接面部202a上配设有1个或多个超声波转换器1。

超声波探伤装置200在使探头202的抵接面部202a抵接于被检体的状态下发送超声波，能够根据该超声波的反射的变化不损坏被检体地检测被检体内的缺陷。

另外，本发明的超声波转换器1并不限定于上述的超声波探伤装置，能应用在以往公知的非破坏检查装置中。例如，也可以应用在通过发送、接收超声波来测量被检体的厚度的厚度测量装置中。

参照图9说明将本发明的超声波转换器1应用在超声波显微镜中的例子。图9是说明本实施方式的超声波显微镜的结构的图。

超声波显微镜300借助循环器302将在高频振荡器301中产生的高频信号施加给本发明的超声波转换器1，转换成超声波。利用声透镜304使该超声波会聚，在其会聚点上配置试样305。试样305由样品保持架306保持，在试样305与声透镜304的透镜面之间填充有水等耦合材307。来自试样305的反射波经由声透镜304被转换器1接收，转换成电反射信号。对应于自超声波转换器1输出的接收超声波的电信号经由循环器302向显示装置308输入。利用由扫描电路309控制的扫描装置310在水平面内沿XY两轴方向驱动样品保持架306。

如上所述构成的超声波显微镜300通过将超声波照射在试样305上来评价试样305的声特性，从而能够使试样305的弹性性质定量化地评价薄膜的构造。

Claims (9)

1.一种超声波转换器，其特征在于，

该超声波转换器包括：

基板；

超声波振子单元，其配置在上述基板的一侧表面上，包括下部电极、配置在上述下部电极上的第1空隙部、以及配置在上述第1空隙部上的上部电极；

第1导电层，其配置在上述基板的另一侧表面上，与上述下部电极和上述上部电极中的任意一个电连接；

驻极体膜，其配置在上述第1导电层上；

绝缘层，其配置在上述驻极体膜上；

第2导电层，其配置在上述绝缘层上，与上述下部电极和上述上部电极中的、未与上述第1导电层电连接的电极电连接。

2.根据权利要求1所述的超声波转换器，其特征在于，

上述绝缘层包括一对绝缘膜、和被上述一对绝缘膜夹持的第2空隙部。

3.根据权利要求1所述的超声波转换器，其特征在于，

上述基板具有挠性。

4.根据权利要求2所述的超声波转换器，其特征在于，

上述基板具有挠性。

5.一种超声波转换器，其特征在于，

该超声波转换器包括：

基板；

超声波振子单元，其配置在上述基板的一侧表面上，包括下部电极、配置在上述下部电极上的第1空隙部、以及配置在上述第1空隙部上的上部电极；

第1导电层，其配置在上述基板的另一侧表面上，与上述下部电极和上述上部电极中的任意一个电连接；

绝缘层，其配置在上述第1导电层上；

驻极体膜，其配置在上述绝缘层上；

第2导电层，其配置在上述驻极体膜上，与上述下部电极和上述上部电极中的、未与上述第1导电层电连接的电极电连接。

6.根据权利要求5所述的超声波转换器，其特征在于，

上述绝缘层包括一对绝缘膜、和被上述一对绝缘膜夹持的第2空隙部。

7.根据权利要求5所述的超声波转换器，其特征在于，

上述基板具有挠性。

8.根据权利要求6所述的超声波转换器，其特征在于，

上述基板具有挠性。

9.一种电子设备，其特征在于，

具有权利要求1～8中任意一项所述的超声波转换器。

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