CN101878658B - 超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置 - Google Patents

超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声波探头。其中，该超声波探头具备：cMUT芯片，其具有机电耦合系数或灵敏度根据偏置电压而变化的多个振动元件，并收发超声波；声学透镜，其设置在所述cMUT芯片的超声波收发侧；背衬层，其设置于所述cMUT芯片的与所述声学透镜相反一侧的面；和基板，其设置在所述背衬层和所述cMUT芯片之间，所述超声波探头还具备热应力抑制单元，所述热应力抑制单元抑制热应力，所述热应力是由所述基板和所述背衬层的温度变化引起的因线膨胀系数的差异所产生的。

Description

超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置
技术领域
本发明涉及使用cMUT(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer)芯片的超声波探头，尤其涉及用于确保超声波探头的长期可靠性的技术。
背景技术
超声波诊断装置是一种基于从超声波探头输出的回声信号和其反射信号来拍摄诊断图像的装置。在超声波探头中排列多个超声波振动器。超声波振动器，将驱动信号变换为超声波并将该超声波发送到被检体上，并且接收从被检体发出的反射回声信号并将该反射回声信号变换为电信号。
近年来，正在开发一种使用cMUT芯片的宽频带的超声波探头。cMUT芯片是通过半导体精细加工工艺制造的超细容量型超声波振动器(例如专利文献1)。
作为这类超声波探头的背衬层的构造例，为了抑制cMUT芯片内的背衬层侧的电极的没有必要的振动，而使背衬层和cMUT芯片的声阻抗匹配(例如专利文献2)。
【专利文献1】美国专利第5894452号公报
【专利文献2】美国专利第6714484号公报
但是，在使用cMUT芯片的超声波探头中存在如下未解决的问题：如果在由硅片构成的cMUT芯片和背衬材之间有线膨胀率的差，那么通过温度变化相互施加热应力，从而在各层间会引起剥离等、损坏长期的可靠性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可抑制热应力带来的影响的超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置。
本发明的超声波探头有如下的构成要素。
(1)一种超声波探头，具备：cMUT芯片，其具有机电耦合系数或灵敏度根据偏置电压而变化的多个振动元件，并收发超声波；声学透镜，其设置在所述cMUT芯片的超声波收发侧；背衬层，其设置于所述cMUT芯片的与所述声学透镜相反一侧的面；和基板，其设置在所述背衬层和所述cMUT芯片之间，其特征在于，所述超声波探头还具备热应力抑制单元，所述热应力抑制单元抑制热应力，所述热应力是由所述基板和所述背衬层的温度变化引起的因线膨胀系数的差异所产生的。
(2)所述热应力抑制单元也可以是所述背衬层的线膨胀系数和所述cMUT芯片的线膨胀系数实质上相同的材质。
(3)所述热应力抑制单元也可以是第三材料，所述第三材料具有与构成所述背衬层的金属以及树脂不同的线膨胀率。
(4)所述第三材料也可以是以二氧化硅作为主要成分的材质。
(5)所述第三材料也可以是以二氧化硅作为主要成分的纤维状的材质。
(6)所述金属也可以是钨，所述纤维也可以是聚酰胺系树脂。
(7)相对于所述半导体基板的线膨胀率，所述背衬层的线膨胀率也可以是50～60ppm/℃。
(8)所述热应力抑制单元也可以在所述cMUT芯片和所述背衬层之间具有调整所述线膨胀率的差异的调整层。
(9)所述调整层也可以由弹性模量比所述cMUT芯片和/或所述背衬层小的材质构成。
(10)所述调整层也可以是用于将所述cMUT芯片固定在所述背衬层的粘结层，由弹性模量比所述cMUT芯片和/或所述背衬层小的材质构成。
(11)所述粘结层也可以是环氧系粘结剂、聚氨基甲酸酯系粘结剂、硅系粘结剂系的粘结剂。
(12)所述调整层也可以是硬化物有橡胶弹性、与界面彼此的材料具有密接性的材料。
本发明的一种超声波诊断装置，具备：超声波探头，其对被检体收发超声波；图像处理部，其基于从所述超声波探头输出的超声波接收信号而构成超声波图像；和显示部，其显示所述超声波图像，其特征在于，所述超声波探头是上述(1)～(12)中任意一项所述的超声波探头。
【发明效果】
根据本发明，能够提供一种可抑制热应力带来的影响的超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的超声波诊断装置的构成例的图。
图2是图1采用的超声波探头的立体图。
图3是表示图2的振动器的构成例的图。
图4是从侧面观看图3的一个振动元件的剖视图。
图5是表示实施例1相关的超声波探头的图。
图6是表示超声波探头2的布线的图。
符号说明：
20-cMUT芯片，22-背衬层(backing layer)，25-超声波探头罩，26-声学透镜，70、71-粘结层，72-挠性基板，86-引线，87-引线密封树脂，90-粘结层。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明相关的超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置的优选实施方式进行详细地说明。其中，在以下的说明及附图中，关于具有大致相同功能构成的构成要素附加相同的符号，省略重复说明。
首先，参照图1对超声波诊断装置1的构成进行说明。
图1是超声波诊断装置1的构成图。
本发明相关的超声波诊断装置1由超声波探头2、发送单元3、偏压单元4、接收单元5、整相加法单元6、图像处理单元7、显示单元8、控制单元9、操作单元10构成。
超声波探头2与被检体接触，并在与被检体之间收发超声波。超声波从超声波探头2射到被检体上，由超声波探头2接收从被检体发出的反射回声信号。
发送单元3及偏压单元4将偏压施加到在超声波探头2内相对配置的电极上，并且叠加驱动信号进行施加，发送超声波。
接收单元5接收向超声波探头2反射的反射回声信号。
接收单元5还对接收到的反射回声信号进行模拟数字变换等的处理。
整相加法单元6是对被接收到的反射回声信号进行整相(phasing)相加的装置。
图像处理单元7是基于被整相相加后的反射回声信号而生成诊断图像(例如断层像和血流像)的装置。
显示单元8是显示在图像处理单元7中生成的诊断图像的显示装置。
控制单元9是控制上述的各构成要素的装置。
操作单元10是向控制单元9提供例如诊断开始的信号等的指示的装置。操作单元10例如是跟踪球、键盘和鼠标等的输入设备。
接着，参照图2～图4对超声波探头2进行说明。
图2是超声波探头2的构成图。图2是超声波探头2的立体图，并且是一部分断裂面图。其中，图朝向的上侧与被检体接触、是发送超声波的方向。
超声波探头2具有cMUT芯片20。cMUT芯片20是多个振动器21-1、振动器21-2、……、排列为短栅状的1维阵列型的振动器组。在振动器21-1、振动器21-2、……中配设有多个的振动元件28。其中，虽然图2所示的探头是线性型探触子，但是也可以使用2维阵列型和凸面型等其他方式的振动器组。
在cMUT芯片20的背面侧(图朝向的下侧)设置有背衬层22。在cMUT芯片20的超声波射出侧设置有声学透镜26。cMUT芯片20及背衬层22等存在于超声波探头罩25中。
在cMUT芯片20中，以偏压单元4施加的偏置电压为基础，来自发送单元3的驱动信号被变换为超声波，被变换的超声波被发送到被检体上。
接收单元5将从被检体发出的超声波变换为电信号后作为反射回声发信号接收。
背衬层22是吸收从cMUT芯片20向背面侧射出的超声波的传播、用于抑制多余振动的层。
声学透镜26是汇聚从cMUT芯片20发送的超声波束的透镜。声学透镜26基于期望的焦点距离确定曲率。
此外，也可以在声学透镜26和cMUT芯片20之间设置匹配层。匹配层是匹配cMUT芯片20及被检体的声阻抗、提高超声波的传输效率的层。
图3是图2中的振动器21的构成图。
在构成振动器21-1、振动器21-2、……的多个的振动元件28的被检体侧配置有上部电极46-1、46-2、……，在长轴方向X上被分割为多个，与每个振动器21接线。即，上部电极46-1、上部电极46-2、……并列配置在长轴方向X上。
在与构成振动器21的多个的振动元件28的被检体相反侧配置有下部电极(48-1～48-4)，在短轴方向Y上分割为多个(在图3中为4列)进行接线。即，下部电极48-1、下部电极48-2、下部电极48-3、……并列配置在短轴方向Y上。
图4是从侧面观看图3中的一个振动元件28的构成图(剖视图)。
振动元件28由基板40、膜体44、膜体45、上部电极46、框体47、下部电极48构成。振动元件28由基于半导体工艺的微细加工形成。其中，振动元件28相当于cMUT的1个元件。
基板40是硅片等的半导体基板，配置在下部电极侧。
膜体44及框体47由硅化合物等的半导体化合物形成。膜体44设置在振动元件28的最靠近被检体一侧(超声波射出侧)，框体47配置在膜体44的背面(与被检体侧相反的侧)。在膜体44和框体47之间设置有上部电极46。在框体47和基板40之间设置有膜体45，在其内部设置有下部电极48。由框体47及膜体45划分的内部空间50或者为真空状态，或者填充规定气体。
上部电极46及下部电极48分别与提供作为驱动信号的交流高频电压的发送单元3和施加作为偏置电压的直流电压的偏压单元4连接。
在发送超声波的情况下，在振动元件28的上部电极46及下部电极48上，被施加直流的偏置电压(Va)，由偏置电压(Va)产生电场。根据产生的电场，在膜体44产生张力，成为规定的机电耦合系数(Sa)。若从发送单元3向上部电极46提供驱动信号，则从膜体44射出基于机电耦合系数(Sa)的强度的超声波。
另外，若在振动元件28的上部电极46及下部电极48上，施加其他的直流的偏置电压(Vb)，则由偏置电压(Vb)产生电场。根据产生的电场，在膜体44产生张力，成为规定的机电耦合系数(Sb)。若发送单元3向上部电极46提供驱动信号，则从膜体44射出基于机电耦合系数(Sb)的强度的超声波。
在这里，在偏置电压“Va＜Vb”的情况下，机电耦合系数为“Sa＜Sb”。
另一方面，在接收超声波的情况下，根据从被检体发出的反射回声信号膜体44被激发，内部空间50的容量变化。该内部空间50的变化的量通过上部电极46被检测出并作为电信号。
此外，振动元件28的机电耦合系数根据膜体44所负荷的张力确定。因此，如果改变施加在振动元件28上的偏置电压的大小来控制膜体44的张力，即使在输入同一振幅的驱动信号的情况下，也能改变从振动元件28射出的超声波的强度(或声压、振幅)。
接着，参照图5及图6对本发明的实施例1进行说明。
图5是表示实施例1相关的超声波探头2的图。图5是图2的超声波探头2的平面A剖视图。
由图5可知，声学透镜26的背面(与配置被检体方向相反的侧、背衬层侧)具有凹部，使cMUT芯片20配置在其中。在该凹部嵌合了cMUT芯片20和挠性基板72的连接部分(引线密封树脂88)。
cMUT芯片20隔着粘结层70粘结在背衬层22的上表面。从背衬层22的上表面周缘到四个侧面，都设置有挠性基板72(Flexible PrintedCircuits：FPC)。挠性基板72隔着粘结层71与背衬层22的上表面周缘粘结。
粘结层70及粘结层71例如是由环氧树脂构成的粘结剂。能够任意地调整粘结层70及粘结层71的层厚、能够调整cMUT芯片20及挠性基板72的高度方向位置。
挠性基板72和cMUT芯片20经由引线86而电连接。引线86通过引线接合方式连接。作为86引线，能够使用Au线等等。在引线86的周围填充有引线密封树脂88。
声学透镜26隔着粘结层90与cMUT芯片20的上表面粘结。作为声学透镜26的材质，例如使用硅橡胶。关于粘结层90的材质，优选与声学透镜26类似的材质(例如硅)。
声学透镜26的上表面，在射出超声波的区域的至少区域23的范围内，是向超声波照射方向的凸状。在cMUT芯片20中，至少在与区域23对应的范围内，配置振动元件28。从声学透镜26的超声波射出侧(在被检体侧)凸状的部分照射超声波。
超声波探头罩25设置在超声波探头2的四个侧面。超声波探头罩25被固定在声学透镜26的四个侧面。检查者用手把持超声波探头罩25操作超声波探头2。
图6是表示超声波探头2的布线的图。
cMUT芯片20的基板40被固定在背衬层22的上表面。挠性基板72被固定在背衬层22的上表面周缘。
在挠性基板72配设有在纸面上下成对的信号图案38-1～信号图案38-n、及在纸面左右成对的信号图案41-1～信号图案41-4。
上部电极46-1～上部电极46-n与信号图案38-1～信号图案38～n。下部电极48-1～下部电极48-4与信号图案41-1～信号图案41～4连接。相邻的下部电极48-1～下部电极48-4之间相互电绝缘。
上部电极46及下部电极48经由引线86通过引线接合方式分别与挠性基板72连接。
其中，下部电极48-1～下部电极48-4的形状优选与振动元件28的形状(例如六角形)相应的形状(例如波形)。由此，能够只对应下部共用电极48-1～下部共用电极48-4中的其中一个来配置各振动元件28。
另外，配设了4个下部电极48-1～下部电极48-4，但是该数目并不限定于此。
另外，虽然说明了信号图案38-1～信号图案38n在纸面上下成对地配置，且信号图案48-1～信号图案48-4在纸面左右成对地配置，但是并不限定于此，也可以不成对而只设置单方。
另外，虽然说明了信号图案和上部电极或下部电极通过引线接合方式连接，但是并不限定于此，也可以采用焊盘彼此之间连接的倒装片接合方式。
【实施例1】
首先，说明本发明的实施例1。
在本实施例中，尤其是，吸收从cMUT芯片20向背面侧射出的超声波的传播、用于抑制多余振动的背衬层22具有以下的特征。
首先，第一，在本实施例相关的背衬层中，为了接近cMUT芯片20的基板40(硅片)而降低了线膨胀率。
即，以往若在cMUT芯片20的基板40(例如硅片)与背衬层之间线膨胀率有差异，在每当温度上升时都在接触面施加不需要的摩擦或力、磨损了接触面，导致探头的长期可靠性存在问题。例如硅片线膨胀率是约3ppm/℃、以往的背衬层例如由金属和树脂等材质构成，所以是100ppm/℃程度，但是在本实施例相关的背衬层中例如将线膨胀率设为50ppm/℃，所以解决了每当温度上升时都在接触面上施加不需要的摩擦或力、而导致的接触面磨损探头的长期可靠性的问题。
更具体地说，作为减少因所述背衬层和cMUT芯片的基板具有的线膨胀率差异带来的热影响的热影响降低手段，为了降低背衬层的线膨胀率，而在背衬层内混合了新材料。该新材料是第三材料，所述第三材料与构成背衬层的金属(例如钨、此外铁氧体、Pt、陶瓷微粒子等)和树脂(例如聚酰胺系树脂、环氧树脂、氯乙烯—乙酸乙烯酯共聚物、橡胶等)不同。第三材质是由以硅石(SiO2)作为主要成分的玻璃等材质构成，例如玻璃纤维等。因为这样的新材质具有0.5ppm/℃(石英玻璃的情况)或9ppm/℃(普通玻璃的情况)左右的值的线膨胀率，所以能够整体降低背衬层的线膨胀率。以背衬层的线膨胀率作为整体的线膨胀率，相对cMUT芯片20的基板(例如硅片)的线膨胀率(3ppm/℃)而接近于50-60ppm/℃。所述背衬层和cMUT芯片的基板的线膨胀率之差，只要在50-60ppm/℃的差的范围内即可，优选两者的线膨胀率一致。
本实施例相关的背衬材例如由钨粒子(W粒子)、聚酰胺系树脂及玻璃纤维构成。
根据上述实施例，在作为cMUT芯片20的基板的例如硅片和背衬层之间线膨胀率的差异变少，每当温度上升时，都不会在接触面上施加不需要的摩擦或力、不会磨损接触面，能够确保探头的长期可靠性。
通过由这样的材质构成背衬层，从而背衬材本身的声阻抗为7～20Mrayl，虽然不一定与cMUT芯片的基板的阻抗(例如20MRayl)一致，但是根据本发明者得到的实验结果，不会较大影响声学特性。另一方面，优点在于，由于本实施例的构造可以不采用在cMUT芯片和背衬材之间纳入具有中间线膨胀率的材料等的构造，所以制造变得简单。
另外，在本发明中公开的背衬层中，在0.45MPa下热变形温度约210℃，即使发生热的温度上升也难以发生热变形。
【实施例2】
接着，说明本发明的实施例2。
另外，在本实施例中的cMUT芯片和背衬层之间，作为减少所述背衬层和cMUT芯片的基板具有的线膨胀率差异带来的热影响的热影响降低手段，而设置了吸收cMUT芯片和背衬层之间的线膨胀率之差的吸收单元。吸收单元例如由弹性模量小的材质构成。
在本实施例中，接合cMUT芯片和背衬层之间的粘结剂例如由弹性模量小的材质构成。因为使用了弹性模量小的粘结剂，所以可吸收cMUT芯片和背衬层之间的线膨胀率之差，且由于每当温度上升时在接触面施加的不需要的摩擦或力而导致接触面磨损的情况会减少，故可提供一种长期具有可靠性的超声波探头。
更具体地说，本实施例相关的吸收单元，相对于构成cMUT芯片的基板和背衬层中的其中一方或双方，具有小的弹性模量。例如，作为构成吸收单元的材料，而考虑硬化物具有橡胶弹性(例如伸展率在100％以上)、与界面彼此的材料具有密接性的材料，在构成吸收单元的材料是粘结剂的情况下，考虑低弹性的环氧系粘结剂、聚氨基甲酸酯系粘结剂、硅系粘结剂等。
根据上述本实施例，涉及一种使用cMUT芯片的超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置，尤其，用于吸收从cMUT芯片向背面侧射出的超声波的传播的背衬层的构造，可抑制热应力带来的影响。
以上，虽然对本发明相关的医用图像显示装置的优选实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于这些实施例。本领域的技术人员在本申请公开的技术思想的范畴内容易想到各种变更例或修改例，对这些当然也可理解成属于本发明的技术范围。

Claims (8)

1.一种超声波探头，具备：
cMUT芯片，其具有机电耦合系数或灵敏度根据偏置电压而变化的多个振动元件，并收发超声波；
声学透镜，其设置在所述cMUT芯片的超声波收发侧；和
背衬层，其设置于所述cMUT芯片的与所述声学透镜相反一侧的面；
其特征在于，所述cMUT芯片具有使用硅片而构成的基板，所述基板隔着粘结层与所述背衬层接合，所述背衬层由包含二氧化硅的材料构成。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
所述背衬层进一步包含具有与所述材料不同的线膨胀率的金属以及树脂而构成。
3.根据权利要求2所述的超声波探头，其特征在于，
所述金属是钨，所述树脂是聚酰胺系树脂。
4.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
所述材料是纤维状的材质。
5.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
所述背衬层和所述基板的线膨胀率之差在50～60ppm/℃的范围内。
6.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
用于所述粘结层的粘结剂的弹性模量比所述基板或所述背衬层的至少一方的弹性模量小。
7.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于，
所述粘结剂是环氧系粘结剂、聚氨基甲酸酯系粘结剂、或硅系粘结剂系的任何一种粘结剂。
8.一种超声波诊断装置，具备：
超声波探头，其对被检体收发超声波；
图像处理部，其基于从所述超声波探头输出的超声波接收信号而构成超声波图像；和
显示部，其显示所述超声波图像，
其特征在于，所述超声波探头是权利要求1～7中任意一项所述的超声波探头。
CN2008801184414A 2007-11-29 2008-11-21 超声波探头及使用该超声波探头的超声波诊断装置 Active CN101878658B (zh)

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