CN102933319B - 机电换能器装置和分析物信息获取设备 - Google Patents

Abstract

为了提出具有高的S/N比的机电换能器装置，一种机电换能器装置包括：第一基板；二维地排列于第一基板的前表面上并被配置为提供声波与电信号之间的转换的机电换能器元件；作为与第一基板的后表面电连接的第二基板的电气布线基板；被设置在第一基板与第二基板之间的第一声学匹配层；被布置于第二基板的后表面上的声学衰减部件；和被设置在第二基板与声学衰减部件之间的第二声学匹配层。

Description

机电换能器装置和分析物信息获取设备

技术领域

本发明涉及机电换能器装置（代表性地，电容型机电换能器装置）和分析物信息获取设备。

背景技术

用作超声换能器装置（也称为超声换能器）的机电换能器装置通过发射和接收作为声波的超声波而被用于例如人体内的肿瘤等的诊断设备中。

近年来，使用微加工技术的电容型的机电换能器装置（电容型的微加工超声换能器，CMUT）正得到积极研究。该CMUT通过使用振动膜发射和接收超声波。并且，该CMUT具有可发射和接收的超声波的宽的频带（即，CMUT具有宽带特性）。使用该CMUT并由此具有比过去的医疗诊断形式高的精度的超声诊断作为有希望的技术正受到关注。

一般地，在医疗领域中经常使用利用X射线、超声波和磁共振成像（MRI）的成像设备。并且，在医疗领域中，关于通过使从诸如激光器之类的光源发射的光传播到诸如活体之类的分析物内并检测传播光而获得活体内的信息的光学成像设备的研究正积极进展。作为这种光学成像技术中的一种，提出了光声断层法（PAT）。

PAT是用从光源产生的脉冲光照射分析物、在多个检测位置处检测从吸收在分析物内传播和扩散的光的能量的活体组织产生的声波（代表性地，超声波）、分析这些声波的信号并且将与分析物的内部的光学特性值有关的信息可视化的技术。因此，可以获得与分析物内部的光学特性值分布有关、更特别地与光学能量吸收密度分布有关的信息。

在包含在基板上形成的机电换能器元件的机电换能器装置（也称为超声换能器装置）中，入射的超声波的一部分可与被基板的后表面（基板的形成有机电换能器元件的表面的相对表面）反射的反射波干涉，并且产生噪声。

过去在一定程度上认识了该噪声问题。即使通过现有技术，只要使用具有几兆赫或更高（例如，2～3MHz或更高）的高频区域的机电换能器元件，可导致噪声的频率就较高并且可能衰减。由此，可通过在基板的后表面上设置声学衰减部件来在一定程度上解决噪声问题。对于像PTL 1那样的在基板内共振的频率，可通过使声学衰减部件的声学阻抗与基板的声学阻抗匹配来在一定程度上减少噪声。但是，在CMUT的情况下，由于频带较宽，因此，频带可包含具有低于2MHz的频率的超声波。具有低于2MHz的频率的超声波几乎不被衰减，并且容易通过基板。由此，现有技术的措施只具有有限的效果。

图5示出现有技术的配置。在现有技术（PTL 1）的配置中，声学衰减部件14被设置在基板12的后表面上，并且，通过电气布线13从基板12的端部获取电信号。

上述的用于上述的超声诊断的超声换能器装置包括在基板的前表面上二维排列（以平面状排列）的换能器元件。对于具有更高的密度的阵列，换能器装置具有电连接基板的前表面和后表面并且从基板的后表面引出电气布线的结构。为了获取二维排列的机电换能器元件的信号，电气布线基板必须被设置在基板的后表面上并且电气布线基板必须与基板电连接。通过该配置，由于基板与电气布线基板之间的距离较小，因此，基板的后表面上的声学衰减使得来自基板的后表面和电气布线基板的反射波影响机电换能器元件并由此使信号噪声（S/N）比劣化。特别是在具有1MHz或更低的频带中，波长较大并且衰减较小。影响变得显著。并且，为了减少噪声串扰，存在电气布线基板或集成电路被布置于基板的后表面上并且电气布线基板或集成电路与基板的后表面电连接的方法。此时，基板的后表面与电气布线基板或集成电路之间的距离小至几百微米。由此，即使现有技术的声学衰减部件被设置在基板的后表面上，低频声波也容易到达电气布线基板，并且反射波会变为噪声。

PTL 2描述了在电气布线基板的后表面上形成凹凸以减少反射波。但是，为了衰减具有大于预定值的波长的声波（具有低于2MHz的频率的声波），需要大的凹凸。同时，电气布线基板的厚度在制造过程以及焊接和安装过程中受到限制。

引文列表

专利文献

PTL 1：美国专利No.6831394

PTL 2：美国专利No.7321181

发明内容

本发明通过减少低频带中的反射波噪声来提供与现有技术相比具有更宽的带和更高的S/N比的机电换能器装置的配置。

根据本发明的一个方面的机电换能器装置包括：第一基板；二维地排列于第一基板的前表面上并被配置为提供声波与电信号之间的转换的机电换能器元件；作为与第一基板的后表面电连接的第二基板的电气布线基板；被设置在第一基板与第二基板之间的第一声学匹配层；被布置于第二基板的后表面上的声学衰减部件；和被设置在第二基板与声学衰减部件之间的第二声学匹配层。

根据本发明的另一方面的分析物信息获取设备包括：根据以上的方面的机电换能器装置；被配置为发射脉冲光的光源；和被配置为处理由机电换能器装置检测的信号的信号处理系统。分析物信息获取设备用从光源发射的光照射分析物，通过机电换能器装置检测作为发射在分析物上的光的光声效应的结果而产生的声波，并且通过信号处理系统的处理获取分析物内部的物理信息。

通过本发明的任一个方面，声学匹配层和声学衰减部件被设置在基板的后表面上。因此，当使用具有几兆赫或更低的频率的超声波时，可减少通过基板的后表面的反射产生并被施加到布置于基板的前表面上的机电换能器元件的噪声。

附图说明

[图1A]图1A是根据本发明的第一到第三实施例中的任一个的超声换能器装置的配置图。

[图1B]图1B是本发明的第一实施例的比较图。

[图2]图2是示出根据本发明的第一实施例的基板的前表面上的声学阻抗密度的倒数的频率特性的示图。

[图3]图3是根据本发明的第四实施例的超声换能器装置的配置图。

[图4]图4是根据本发明的第五实施例的超声诊断设备的配置图。

[图5]图5是现有技术的配置图。

具体实施方式

第一实施例

描述根据第一实施例的超声换能器装置。

图1A示出根据本实施例的超声换能器装置10。在基板1（第一基板）上形成机电换能器元件2。机电换能器元件2提供超声波（声波）与电信号之间的转换。电气布线基板3（第二基板）与基板1的后表面电连接。典型地通过在树脂上布置金属布线来形成电气布线基板3。多个机电换能器元件2被二维排列在基板1的前表面上。机电换能器元件2可以是压电元件或像PTL 2那样的膜、空腔以及第一和第二电极形成对向电极的电容型机电换能器元件。

鉴于机械性能、电气性能、可成形性、成本效率等，基板1的材料可以期望地为硅（Si）。但是，材料不必为硅，并且可以为例如玻璃、石英、GaAs或蓝宝石。机电换能器元件2具有至少两个电气端子。端子中的至少一个与多个剩余的机电换能器元件2电气分离。基板1电连接与机电换能器元件2电气分离的端子和基板1的后表面上的端子。基板1具有例如多个像贯通布线那样的电连接部分。基板自身可通过绝缘体或沟槽电气分离，并且，基板可仅沿基板厚度方向允许电气导通。

电连接电气布线基板3和基板1的导体4可以是例如金属（诸如焊料或金）的具有低电阻的电阻器。

在本实施例中，第一声学匹配层5被布置于基板1（第一基板）和电气布线基板3（第二基板）之间，并且，声学衰减部件7被布置于电气布线基板3的后侧。第一声学匹配层5具有允许电气布线基板3透过从基板1进入的超声波11并限制超声波11的反射的功能。声学衰减部件7具有吸收并衰减透过的超声波11的功能。第二声学匹配层6被设置为限制声学衰减部件7与电气布线基板3之间的超声波11的反射的结构。

通过实施例的配置，可通过减少界面处的反射并通过声学衰减部件的效果在更宽的频带中减少向机电换能器元件2施加的噪声。

以下详细地描述第一声学匹配层5、第二声学匹配层6和声学衰减部件7。

第一声学匹配层5填充导体4周围的空间。一般地，导体4的声学阻抗不与第一声学匹配层5的声学阻抗对应。由此，声学特性根据设置在机电换能器元件2正下方的是第一声学匹配层5还是导体4而变化。期望减小导体4占据的面积，以使机电换能器元件2的声学特性均一化。

但是，如果导体4的声学阻抗比基板1的声学阻抗大，那么向电气布线基板3透过的超声波减少，并且，被电气布线基板3反射的超声波的向基板1的透过也减少。如果基板1由硅制成并且导体4由典型的无铅焊料制成，那么以上的关系是适用的。导体4上的向机电换能器元件2的反射波的影响较小。

多个导体4至少通过与机电换能器元件2的数量对应的数量被设置在基板1的后表面上以电气分离二维排列的机电换能器元件2。由此，基板1与电气布线基板3之间的空间的不被导体4占据的部分被第一声学匹配层5填充。

第一声学匹配层5的声学阻抗被设计为基板1的声学阻抗与电气布线基板3的声学阻抗之间的值。

第一声学匹配层5的材料期望地为被用作底层填料（underfill）（密封剂）的环氧树脂。但是，当调整声学阻抗时，可以使用混合有高密度微细颗粒的材料。微细颗粒可以是金属或化合物。例如，可以使用：钨、氧化铝、铜或这些金属中的任一种的化合物；或铂、铁或这些金属中的任一种的化合物。

第二声学匹配层6被设置在电气布线基板3的后侧，并且，声学衰减部件7被设置在第二声学匹配层6下面。第二声学匹配层6具有减少电气布线基板3的后表面处的声学反射并允许声学衰减部件7透过超声波的作用。

第二声学匹配层6的材料可以是作为电气布线基板3的材料的环氧树脂等。但是，应当注意，由于电气布线基板3的声学阻抗根据金属布线的密度而变化，因此，偶尔要求调整第二声学匹配层6的声学阻抗。如果需要的话，高密度微细颗粒被混合以调整声学阻抗。微细颗粒可以是金属或化合物。例如，可以使用：钨、氧化铝、铜或这些金属中的任一种的化合物；或铂、铁或这些金属中的任一种的化合物。

声学衰减部件7具有吸收和衰减超声波的效果。由此，声学衰减部件7是粘弹性体，并且，声学衰减部件7的材料可以为例如环氧树脂或尿烷树脂。

为了增加声学衰减部件7的后侧的设计自由度，应通过声学衰减部件7衰减几乎所有的声波。为了实现这一点，声学衰减部件7必须具有约几毫米或更大的厚度，并且，更大的厚度是更期望的。并且，具有更高的粘度的材料是更期望的。

图2示出基板1的前表面上的声波入射方向上的声学阻抗密度的倒数的频率特性。声学阻抗密度与从基板1的前表面观察时的输入阻抗对应。例如，如果基板1是具有300微米的厚度的硅并且电气布线基板3是具有1.6毫米的厚度的玻璃环氧树脂，那么该示图示出（1）在基板1与电气布线基板3之间并且在电气布线基板3的后侧存在具有约1.5兆瑞利（MegaRayl）的声学阻抗的液体（例如水）（图1B）时、（2）在电气布线基板3的后侧以无限厚度设置声学阻抗与电气布线基板3相同的部件时以及（3）具有5兆瑞利的声学阻抗的第一声学匹配层被设置在基板1与电气布线基板3之间时的声学阻抗密度的倒数。电气布线基板3的一部分通过导体4与基板1连接，并且，基板1与电气布线基板3之间的距离受到限制。在图2的示图中，距离为0.2毫米。

当声学阻抗的倒数较大时，它代表反射波较大。具有10MHz或更高的频率的大的峰值表示通过基板1的共振反射。图1B示出图2中的（1）的配置。透过机电换能器元件2的超声波11作为基板1的后表面与液体20之间的界面、液体20与电气布线基板3之间的界面和电气布线基板3的下表面处的反射的结果共振，并且向其上存在机电换能器元件2的基板1的前表面传播。因此，1MHz周围的频率的声学阻抗密度减小，并且变为导致大的反射噪声的因素。从图2发现，通过在电气布线基板3的后表面处的声学阻抗的匹配，1MHz周围的反射波减小。但是，在1MHz周围存在具有大的反射波的频带（图2中的（2））。关于具有第一声学匹配层5的（3），发现，1MHz周围的峰值降低，并且，通过第一声学匹配层5和声学衰减部件7减少低频区域中的反射波。如图1A中的超声波11的传播状态所示，这代表透过各层的超声波11被声学衰减部件7吸收和衰减。

第二实施例

描述根据第二实施例的超声换能器装置。本实施例的配置与图1A所示的配置相同。对于从机电换能器元件2发射的超声波的中心频率，当第一声学匹配层5具有作为透过第一声学匹配层5内部的超声波的波长的1/4的厚度时并且当第一声学匹配层5的声学阻抗为第一基板1的声学阻抗和电气布线基板3的声学阻抗的几何平均值时，超声波的透过率变得最大。

如果存在具有最不应被反射（或应被衰减）的频率的超声波，那么第一声学匹配层5的厚度可以为该超声波的波长的1/4。特别地，如果要接收的超声波的频带是宽带，那么结果得到大的反射的频率是经受基板1的共振反射的频率。图2中的示图中的（4）代表这种情况。关于（4），发现，具有作为共振频率的15MHz的峰值进一步降低。

假定Zs是基板1的声学阻抗、Zm是第一声学匹配层5的声学阻抗并且Ze是电气布线基板3的声学阻抗。当L是第一声学匹配层5的厚度并且k是超声波的波数时，包含基板1、第一声学匹配层5和电气布线基板3的三层结构处的超声波的反射率R被表达如下。

[式1]

$R=\frac{\mathrm{Zin}-\mathrm{Zs}}{\mathrm{Zin}+\mathrm{Zs}}$

[式2]

$\mathrm{Zin}=\mathrm{Zm}\·\frac{\mathrm{Ze}+\mathrm{jZm}\tan \mathrm{kL}}{\mathrm{Zm}+\mathrm{jZe}\tan \mathrm{kL}}$

当kL为p/2时，即，当L是波长的1/4时，R变得最小。并且，在以下的情况下，R变为0并且透过所有的波。

[式3]

$\mathrm{Zm}=\sqrt{\mathrm{Ze}\·\mathrm{Ze}}(=Z0)$

当反射率为10%或更低并且第一声学匹配层的声学阻抗的容限（tolerance）在Z0的约5%内时，厚度L的容限在作为波长的1/4的厚度的约6%内。由于反射率R与到机电换能器元件2的噪声之间的关系影响结构，因此，不能简单地确定反射率R。但是，在实施例中，反射率R处于10%或更低的范围内。

第三实施例

描述根据第三实施例的超声换能器装置。本实施例的配置与图1A所示的配置类似。第一声学匹配层5的声学阻抗在厚度方向上具有梯度。在基板1与电气布线基板3之间的界面处提供阻抗匹配。因此，不管第一声学匹配层5的厚度如何，都可减少反射波。

在实施例中，提供声学阻抗匹配代表其中界面处的反射率为10%或更低的情况。如果形成界面的两种物质的声学阻抗相同，那么反射率变为零。反射率为10%或更低的情况是其中界面处的两种物质的声学阻抗之间的差值为约18%或更低的情况。

通过将高密度颗粒混入树脂中来制造根据本实施例的第一声学匹配层5的材料。

通过沿厚度方向改变颗粒密度分布，声学阻抗沿厚度方向具有梯度。

第四实施例

描述根据第四实施例的超声换能器装置。图3示出本实施例的配置。在本实施例中，第一或第三实施例中的第二声学匹配层6和声学衰减部件7被集成（其中第二声学匹配层6也用作声学衰减部件7的结构），并且被形成为声学匹配和衰减部件9。此时，期望地在声学匹配和衰减部件9与电气布线基板3之间提供声学阻抗匹配。

这里，提供声学阻抗匹配代表反射率为10%或更低的情况。如果形成界面的两种物质的声学阻抗相同，那么反射率变为零。反射率为10%或更低的情况是其中界面处的两种物质的声学阻抗之间的差值为约18%或更低的情况。

声学匹配和衰减部件9的材料可以是粘弹性体，诸如包含用于声学阻抗调整的高密度微细颗粒的尿烷树脂。微细颗粒可以是金属或化合物。例如，可以使用：钨、氧化铝、铜或这些金属中的任一种的化合物；或铂、铁或这些金属中的任一种的化合物。

第五实施例

描述根据第五实施例的分析物信息获取设备。

图4示出本实施例的配置。

当从光源40发射的光41发射在分析物42中的光吸收体46上时，产生称为光声波的超声波43。虽然超声波43的频率根据光吸收体46的物质和固体的尺寸而变化，但是，当假定一定的变化带时，频率处于约300kHz～10MHz的范围内。超声波43通过对于超声波43提供良好的传播的液体47，并且，超声换能器装置10检测超声波43。具有放大的电流和电压的信号通过信号线44被传送到信号处理系统45。信号处理系统45处理检测的信号并且提取分析物信息。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的这种变更方式以及等同的结构和功能。

本申请要求在2010年6月7日提交的日本专利申请No.2010-130295的优先权，在此通过参考引入其全部内容。

附图标记列表

1 基板

2 机电换能器元件

3 电气布线基板

4 导体

5 第一声学匹配层

6 第二声学匹配层

7 声学衰减部件

9 声学匹配和衰减部件

10 超声换能器装置

11 超声波

Claims (7)

1.一种机电换能器装置，包括：

第一基板；

机电换能器元件，被二维地排列在第一基板的前表面上并被配置为提供声波与电信号之间的转换；

电气布线基板，所述电气布线基板为与第一基板的后表面电连接的第二基板；

第一声学匹配层，被设置在第一基板与第二基板之间；

声学衰减部件，被布置于第二基板的后表面上；和

第二声学匹配层，被设置在第二基板与声学衰减部件之间，

其中，第一声学匹配层的声学阻抗比第一基板的声学阻抗小并且比第二基板的声学阻抗大。

2.根据权利要求1的机电换能器装置，其中，机电换能器元件包含电容型机电换能器元件，所述电容型机电换能器元件具有振动膜、被布置于振动膜上的第一电极、以及被布置于如下位置处的第二电极，在所述位置处第二电极面向第一电极并且第二电极与第一电极之间布置有间隙。

3.根据权利要求1～2中的任一项的机电换能器装置，其中，对于从机电换能器元件发射的声波的中心频率的波长，第一声学匹配层具有作为第一声学匹配层中的声波的波长的1/4的厚度，并且，第一声学匹配层的声学阻抗是第一基板的声学阻抗与第二基板的声学阻抗的几何平均值。

4.根据权利要求1～2中的任一项的机电换能器装置，其中，对于在第一基板的厚度方向上共振的声波的共振频率的波长，第一声学匹配层具有作为第一声学匹配层中的声波的波长的1/4的厚度，并且，第一声学匹配层的声学阻抗是第一基板的声学阻抗与第二基板的声学阻抗的几何平均值。

5.根据权利要求1～2中的任一项的机电换能器装置，

其中，第一声学匹配层的声学阻抗和第二声学匹配层的声学阻抗中的至少一个在厚度方向上具有梯度，并且，

其中声学阻抗在由第一基板、第二基板、第一声学匹配层和第二声学匹配层形成的界面中的每一个界面处彼此对应。

6.根据权利要求1～2中的任一项的机电换能器装置，

其中，声学衰减部件的声学阻抗与第二基板的声学阻抗对应，并且，

其中声学衰减部件与第二声学匹配层一体化地形成。

7.一种分析物信息获取设备，包括：

根据权利要求1～6中的任一项的机电换能器装置；

光源，被配置为发射脉冲光；和

信号处理系统，被配置为处理由机电换能器装置检测的信号，

其中，分析物信息获取设备用从光源发射的光照射分析物，通过机电换能器装置检测作为发射在分析物上的光的光声效应的结果而产生的声波，并且通过信号处理系统的处理获取分析物内部的物理信息。