CN103298410A - 超声波探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波探头，具备将超声波与电信号相互转换的CMUT元件（13）、在表面形成多个CMUT元件（13）的半导体基板（15）、设在CMUT元件（13）的表面侧的声透镜（3）、以及设在半导体基板（15）的背面侧的衬垫层（5），衬垫层（5）由与半导体基板接触的第一衬垫层（27）、以及设在衬垫层（27）的背面侧的第二衬垫层（29）形成，第一衬垫层（27）根据半导体基板（15）的板厚设定声阻抗，衬垫层（29）由能使透过衬垫层（27）的超声波衰减的衰减材料形成，声阻抗与衬垫层（27）的声阻抗一致地设定，从而抑制反射回波的多重反射。

Description

超声波探头
技术领域
本发明涉及超声波探头，尤其涉及利用容量性的振动单元使超声波与电信号相互转换的超声波探头。
背景技术
在向被检测体发送超声波，并接收其反射波而得到图像的超声波诊断装置中使用在与被检测体之间收发超声波的超声波探头。已知在超声波探头上设置与被检测体接触的声透镜、使超声波与电信号相互转换的转换器、吸收在该转换器的背面侧所放射的超声波的衬垫层。
作为这种转换器，在专利文献1中记载了CMUT（CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers）。CMUT使用平版印刷技术在半导体基板上图案形成多个CMUT元件（以下适当称为容量性振动单元）而形成。CMUT元件为在形成在半导体基板上的绝缘层内形成凹部，用膜体堵塞该凹部的开口而形成真空（或气体封入）间隙，隔着真空空隙在膜体的表面与绝缘层的背面相对地设置一对电极的结构。并且，CMUT元件通过在一对电极间施加超声波频率的电信号，使膜体振动而向被检测体内发送超声波。另外，用膜体接收来自被检测体内的反射回波，并将膜体的位移作为一对电极间的静电容量的变化转换为电信号。另外，多个CMUT元件相互间用由绝缘层构成的框体隔离。利用具有这种结构的多个CMUT元件的集合体形成一个振动件，在相同的半导体基板上将这种振动件一次元或二次元地排列多列而形成超声波探头。CMUT与压电陶瓷制的转换器相比，具有能使用的超声波的频带区域宽，并且是高灵敏度等优点。
另一方面，CMUT在电极间施加直流偏压，通过增减该直流偏压，能够增减电性机械结合系数。但是，为了提高超声波的声压，需要减小电性机械结合系数。因此，当想要得到期望的声压时，将超声波转换为电信号的效率下降，因此一般CMUT与压电陶瓷制的转换器相比，超声波的转换效率低。当转换效率低时，来自被检测体的反射回波未转换为电信号而透过半导体基板，并到达衬垫层的界面并反射。其结果，产生反射回波在被检测体与衬垫层的界面之间反复反射的多重反射的问题。为了抑制这种多重反射，在专利文献1中提出了整合半导体基板与衬垫层的声阻抗的方案。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6831394号公报
非专利文献：基于CMUT技术的超声波探头“Mappie”的开发，MEDIX，株式会社日立医学，2009，vol.51，pp31-34
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1中，未考虑即使使衬垫层的声阻抗与半导体基板一致，由于半导体基板的板厚，多重反射的抑制效果不同的情况。
本发明所要解决的课题在于，在使用了CMUT的超声波探头中，考虑半导体基板的板厚地抑制反射回波的多重反射。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本发明的超声波探头具备将超声波与电信号相互转换的容量性振动单元、在表面形成多个容量性振动单元的半导体基板、设在容量性振动单元的表面侧的声透镜、以及设在半导体基板的背面侧的衬垫层，该超声波探头的特征在于，衬垫层具有与半导体基板接触的第一衬垫层、设在第一衬垫层的背面侧的第二衬垫层，第一衬垫层根据半导体基板的板厚设定声阻抗，第二衬垫层由能使透过第一衬垫层的超声波衰减的材料形成，声阻抗与第一衬垫层的声阻抗一致地设定。
在该场合，第一衬垫层的声阻抗与半导体基板的声阻抗相比，能够设定为接近声透镜的声阻抗的值。
另外，第一衬垫层能够在树脂中混入使第一衬垫层的线膨胀系数接近半导体基板的线膨胀系数的调整材料而形成。调整材料例如能够使用碳纤维或玻璃纤维，能够使这些纤维的长度方向与第一衬垫层的长度方向一致地混入树脂。
另外，第一衬垫层能够通过在多孔质陶瓷中填充树脂而形成。
发明效果
根据本发明，能够在使用CMUT的超声波探头中考虑半导体基板的板厚地抑制反射回波的多重反射。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的超声波探头的短轴方向的剖视图。
图2是CMUT元件的截面的示意图。
图3是CMUT片的立体图。
图4是表示半导体基板、衬垫层的界面的声压反射率及半导体基板的板厚的关系的图表。
图5（a）是实施例一的第一衬垫层的概念图，（b）是（a）的短边方向的剖视图。
图6是表示实施例一的半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率的图表。
图7是表示实施例一的半导体基板与衬垫层的粘接体的折叠量的图表。
图8是表示实施例二的半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率的图表。
图9是实施例三的超声波探头的短轴方向的剖视图。
图10是表示实施例四的第二衬垫层的超声波的衰减率与微球的配合量的关系的图表。
图11是表示实施例四的半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率的图表。
图12是实施例五的超声波探头的短轴方向的剖视图。
图13是表示实施例六的半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率的图表。
具体实施方式
下面，根据实施方式说明本发明。
（实施方式）
如图1～3所示，本实施方式的超声波探头通过将容量性的振动单元即CMUT元件13、由在表面形成有多个CMUT元件13的半导体基板15形成的CMUT片1、设在CMUT片1的表面侧的声透镜3、设在CMUT片1的背面侧的衬垫层5安装在壳体7上形成。在CMUT片1上通过金属丝9连接挠性基板11。挠性基板11通过电线连接在电源等未图示的外部装置上。由此，能够向CMUT片1发送驱动信号，并且能够施加直流偏压。另外，能够将由CMUT片1接收的反射回波转换为电信号并发送到外部装置。
如图2所示，各CMUT元件13为具有用膜体18堵塞形成在由绝缘材料构成的绝缘层17内的凹部的开口而形成的真空（或气体封入）间隙19，隔着真空空隙19，在膜体18的表面与绝缘层17的背面相对地设置一对电极21、23的结构。并且，CMUT元件13通过在一对电极21、23间施加超声波频率的电信号，以静电力使膜体18振动而将超声波发送到被检测体内。另外，用膜体18接收来自被检测体内的反射回波，将膜体18的位移作为一对电极21、23间的静电容量的变化转换为电信号。另外，各CMUT元件13的相互间被由绝缘层17形成的框体隔离。如图3所示，各CMUT元件13利用平板印刷技术等半导体制造技术，通过在半导体基板15上进行图案成形而形成。利用具有这种结构的多个CMUT元件13的集合体形成一个振动件，在相同的半导体基板15上一次元或二次元地排列多列这种振动件而形成CMUT片1。另外，利用导体装置的制造技术进行图案成形，在半导体基板15上，通过具有一次元或二次元地配置多个的这种结构的多个CMUT元件13的集合体形成一个振动件。另外，半导体基板15例如由硅形成。
如图1所示，在CMUT片1的表面侧安装有对从CMUT片1照射的超声波进行聚束的声透镜3。声透镜3是具备在超声波的照射方向上突出的凸部的、凸形的声透镜。声透镜3由接近被检测体的声阻抗的材料形成。例如，在使生物体为被检测体的场合，利用接近生物体的声阻抗即1.5MRayl的声阻抗的材料形成声透镜3。
在CMUT片1的背面侧设有吸收向CMUT片1的后方的超声波的衬垫层5。衬垫层5与CMUT片1的半导体基板15通过粘接层25粘接。另外，使粘接层25的厚度比使用的超声波的使用频率的波长薄、例如优选使粘接层25的厚度为10μm以下。由此，因为使用频率的超声波的大部分透过粘接层25，因此能够忽略粘接层25的声阻抗的影响。
接着，说明本实施方式的特征结构。如图1所示，衬垫层5具备通过粘接层25与半导体基板5接触的第一衬垫层27、设在第一衬垫层的背面侧的第二衬垫层29。衬垫层27由根据半导体基板15的板厚设定的设定值的声阻抗的材料形成。衬垫层29的超声波的衰减率比衬垫层27高，并且，由接近衬垫层27的声阻抗的声阻抗的材料形成。
说明这样形成的本实施方式的超声波探头的动作。在CMUT元件13的电极21、23间从外部装置通过挠性基板11施加规定的直流偏压，将CMUT元件13的电性机械结合系数设定为规定值。并且，当从外部装置通过挠性基板11向电极21、23间发送规定的驱动信号时，根据电性机械结合系数产生超声波。所产生的超声波被声透镜3聚束并照射到被检测体。由被检测体反射的超声波的反射回波通过声透镜3而使CMUT元件13的膜体18振动。通过该振动，真空间隙19的静电容量变化，从电极21、23间输出与该变化相应的电信号。该电信号通过挠性基板11从CMUT片1发送到外部装置，通过适当处理而产生超声波图像。
接着，说明本实施方式的超声波探头的特征动作。为了得到规定的声压，较小地设定CMUT元件13的电性机械结合系数。因此，与压电陶瓷制的转换器相比，CMUT将超声波转换为电信号的效率低，未转换为电信号的反射回波透过半导体基板15。当该反射回波在半导体基板15与衬垫层5的界面反射时，成为多重反射的原因。此时，在半导体基板15的板厚厚，例如板厚为200μm的场合，当使半导体基板15与衬垫层5的声阻抗一致时，能够降低半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率。但是，当使半导体基板15的板厚比200μm薄时，半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率增加。例如，根据后述的图4，在半导体基板15的板厚为5μm、25μm、50μm的场合，使衬垫层5的声阻抗比半导体基板15的声阻抗（20MRayl）小，能够降低半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率。这是因为，与使用的超声波的波长相比，当半导体基板15的板厚充分薄、例如为1／20以下时，能够忽略半导体基板15的声阻抗的影响。因此，因为能够将半导体基板15与衬垫层5的界面视为声透镜3与衬垫层5的界面，因此通过降低衬垫层5的声阻抗，接近声透镜3的声阻抗（1.5MRayl），能够降低半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率。因此，透过半导体基板15的反射回波透过半导体片15与衬垫层5的界面，因此能够抑制反射回波在该界面与被检测体之间反复反射的多重反射。另外，当使半导体基板15的板厚薄时，具有半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率下降的倾向，因此优选使半导体基板15的板厚薄。另一方面，当使半导体基板15的板厚薄时，产生半导体基板15的强度下降等问题，因此优选半导体基板15的板厚为25μm以上，优选25μm以上且50μm以下。
并且，为了降低衬垫层5的声阻抗，在衬垫层5的材料中使用6-尼龙那样的热塑性树脂。这种树脂一般线膨胀系数大。另一方面，半导体基板15由线膨胀系数小的硅等形成。因此，由于将半导体基板15粘接在衬垫层5上时的热应力，在半导体基板15和衬垫层5的接合体上产生折叠等结构歪斜。尤其当衬垫层5的长度方向变形大时，结构歪斜越大。当这样产生结构歪斜时，无法得到目标的尺寸，装置的可靠性下降。因此，本实施方式在与半导体基板15接触的一侧配置使线膨胀系数下降且接近半导体基板15的第一衬垫层27。例如，以纤维的长度方向沿衬垫层27的长度方向的方式在树脂中混合碳纤维或玻璃纤维，形成衬垫层27。
另一方面，使线膨胀系数下降的衬垫层27的超声波的衰减率低，只利用衬垫层27无法使超声波全部衰减。因此，本实施方式在衬垫层27的背面侧配置超声波的衰减率比衬垫层27高的第二衬垫层29。衬垫层29的材料能够使用超声波的衰减率比衬垫层27高，并且弹性率比用于衬垫层27的树脂小的树脂、例如聚氨酯、环氧树脂、铁橡胶等。当衬垫层27与衬垫层29的声阻抗的差大时，衬垫层27与衬垫层29的界面的声压反射率变大。因此，在形成衬垫层29的树脂中混合钨、硅等，使衬垫层29的声阻抗接近衬垫层27的声阻抗。由此，能够减小衬垫层27与衬垫层29的界面的声压反射率，因此能够利用衰减率高的衬垫层29使反射回波衰减。下面，根据实施例详细地说明第一衬垫层27与第二衬垫层29的详细结构。
实施例一
本发明的发明人发现即使使半导体基板与衬垫层的声阻抗一致，当半导体基板的板厚薄时，多重反射的抑制程度也低。说明基于当根据半导体基板的板厚改变衬垫层的声阻抗时，对多重反射的抑制有效的本发明的原理。
通过来自被检测体的反射回波透过半导体基板，在半导体基板与衬垫层的界面反射，在该界面与被检测体之间反复反射，产生多重反射。因此，只要能够降低半导体基板与衬垫层的界面的超声波的反射率（声压反射率），便能够抑制多重反射。该声压反射率（mr）能够由以下的式1计算。
[式1]
mr = ( Z 1 - Z 2 Z 1 + Z 2 ) + ( Z 3 - Z 1 Z 3 + Z 1 ) e - 2 γ 1 d 1 1 + ( Z 1 - Z 2 Z 1 + Z 2 ) ( Z 3 - Z 1 Z 3 + Z 1 ) e - 2 γ 1 d 1
mr：半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率
Z1:半导体基板的声阻抗
Z2：声透镜的声阻抗
Z3：衬垫层的声阻抗
γ1：半导体基板的传播常数
d1：半导体基板的板厚
将半导体基板的声阻抗（Z1）作为20MRayl，将声透镜的声阻抗（Z2）作为1.5MRayl，将衬垫层的声阻抗（Z3）作为1.5MRayl、4MRayl、6MRayl、20MRayl，将半导体基板的板厚（d1）作为5μm、25μm、50μm、200μm，利用式1计算半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率（mr）。并且，根据半导体基板的板厚对计算出的声压反射率进行分类，得到图4（a）至（d）的图表。（a）表示半导体基板的板厚为5μm的场合，（b）表示半导体基板的板厚为25μm的场合，（c）表示半导体基板的板厚为50μm的场合，（d）表示半导体基板的板厚为200μm的场合。另外，（a）至（d）是将纵轴作为半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率、将横轴作为用于超声波诊断的超声波的使用频率的图表。另外，半导体基板的声阻抗（Z1）与半导体基板的传播常数（γ1）使用半导体基板的一般的材料即硅的声阻抗和超声波的传播常数。
当比较半导体基板的板厚薄的（a）至（c）、半导体基板的板厚厚的（d）时，在半导体基板的板厚薄的场合，当将衬垫层的声阻抗设定为比半导体基板的声阻抗即20MRayl低时，能够降低半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率。相对于此，在半导体基板的板厚厚的场合，将衬垫层的声阻抗设定为半导体基板的声阻抗即20MRayl能够降低半导体基板与衬垫层的界面的声压反射率。这是因为，当半导体基板的板厚薄时，半导体基板的声阻抗的影响变小。即，超声波探头按照声透镜、半导体基板、衬垫层的顺序形成，因此当忽略半导体基板时，半导体基板与衬垫层的界面能够视为声透镜与衬垫层的界面。因此，通过使衬垫层的声阻抗下降并接近声透镜，在半导体基板与衬垫层，界面的声压反射率降低。
根据这种发现，本发明的超声波探头的实施例一如图1～3所示，在具备将超声波与电信号相互转换的容量性振动单元即CMUT元件13、在表面形成多个容量性振动单元的半导体基板15、设在容量性振动单元的表面侧的声透镜3、设在半导体基板15的背面侧的衬垫层5的超声波探头中，其特征在于，衬垫层5具有与半导体基板接触的第一衬垫层27、设在第一衬垫层27的背面侧的第二衬垫层29，第一衬垫层27根据半导体基板15的板厚设定声阻抗，第二衬垫层29由能使透过了第一衬垫层27的超声波衰减的衰减材料形成，声阻抗与第一衬垫层27的声阻抗一致地设定。
即，即使衬垫层5的声阻抗相同，根据半导体基板15的板厚，半导体基板15与衬垫层5的界面的声压反射率变化，因此多重反射的抑制程度变化。因此，根据半导体基板15的板厚，将与半导体基板15接触的第一衬垫层27的声阻抗设定为对多重反射的抑制有效的声阻抗。由此，能够提高多重反射的抑制程度，因此能够降低由成为超声波图像的虚像的描绘原因的多重反射引起的不必要应答。
另外，第一衬垫层27与半导体基板15接触，因此在能够使用的材料上有制约，有时无法使用超声波的衰减率高的材料。因此，优选设置超声波的衰减率比第一衬垫层27大的第二衬垫层29，使透过了第一衬垫层25的反射回波衰减。
并且，根据图4（b），在超声波诊断的超声波的使用频率为5MHz以下的场合，当将第一衬垫层27的声阻抗设定为1.5MRayl时，半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率最低。另一方面，在超声波的使用频率为15MHz的场合，当将第一衬垫层27的声阻抗设定为6MRayl时，半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率也最低。因此，第一衬垫层27的声阻抗优选设定为1.5MRayl以上且6MRayl以下。尤其用于超声波诊断的超声波的使用频率一般为2～15MHz，因此在利用一个超声波探头发送该使用频率的超声波的场合，通过将第一衬垫层27的声阻抗设定为4MRayl以上且6MRayl以下，能够在使用频率宽的区域提高多重反射的抑制程度。
另外，在图4（c）的半导体基板的板厚为50μm的场合，当超声波的使用频率超过7MHz时，在第一衬垫层27的声阻抗为1.5MRayl时，多重反射的抑制效果比以往低。因此，在该场合，通过将第一衬垫层27的声阻抗的设定值设定为超过1.5MRayl的值、优选4MRayl以上且6MRayl以下，能够在使用频率宽的区域提高多重反射的抑制程度。
并且，为了将第一衬垫层27的声阻抗设定为1.5MRayl、4MRayl、6MRayl等低的值，利用声阻抗低的树脂形成第一衬垫层27。因此，第一衬垫层27的线膨胀系数变大。另一方面，半导体基板15由线膨胀系数小的硅等形成，因此，当在高温下进行半导体基板15与第一衬垫层27的粘接作业时，有可能由于在半导体基板15与第一衬垫层27粘接时产生的热应力而产生结构歪斜。
在该场合，优选使半导体基板15与第一衬垫层27的线膨胀系数接近。例如，优选使碳纤维或玻璃纤维的长度方向与第一衬垫层的长度方向一致地混入树脂，从而形成第一衬垫层。另外，通过在多孔质陶瓷中填充树脂而形成第一衬垫层27，能够使半导体基板15与第一衬垫层27的线膨胀系数接近。
图5（a）、（b）表示实施例一的第一衬垫层27。实施例一的声阻抗通过将接近声透镜3的6-尼龙作为基体31，在该基体31中作为调整材料混入碳纤维33，形成第一衬垫层27。衬垫层27例如能够通过将6-尼龙与碳纤维33的混合物挤入模具中的注塑成形形成。此时，模具的壁面侧由于摩擦而导致混合物的流速下降，碳纤维33的长度方向为注射方向。因此，通过使6-尼龙与碳纤维33的混合物的注入方向和衬垫层27的长度方向一致，能够使衬垫层27与碳纤维33的长度方向一致。由此，将衬垫层27的声阻抗设定为4MRayl，将衬垫层27的长度方向的线膨胀系数调整为5ppm／℃。通过适当改变基体31的树脂的种类或调整材料的种类及混合量，能够将衬垫层27的声阻抗与线膨胀系数设定为期望的值。另外，半导体基板15的材料即硅的线膨胀系数是3ppm／℃。另一方面，6-尼龙单体的线膨胀系数是90～100ppm／℃，碳纤维的线膨胀系数大约是0ppm／℃。另外，衬垫层27是在长度方向与短边方向，线膨胀系数不同的各向异性的材料。
将衬垫层27粘接在形成有CMUT元件13的半导体基板15上。半导体基板15以硅为材料，将板厚形成为40μm。在该状态下，在衬垫层27的背面侧安装第二衬垫层29的模具，使衬垫层29的材料流入该模具中，在衬垫层27的背面侧形成衬垫层29。衬垫层29的材料使用将热固化型的聚氨酯作为基体，并在该基体中添加了钨的混合物。由此，将衬垫层29的声阻抗设定为4MRayl，将弹性率设定为500MPa。另外，将衬垫层29的厚度设为6mm，将衬垫层29的固化温度设定为40°C。另外，衬垫层29的声阻抗与弹性率通过适当改变基体的树脂的种类、添加剂的种类及添加量，能够设定为期望的值。另外，衬垫层29的厚度能够根据衬垫层27的超声波的衰减率适当设定。
将形成有衬垫层27、29的CMUT片1安装在壳体7上，成为实施例一的超声波探头。图6表示该超声波探头的半导体基板15与衬垫层27的界面的超声波的声压反射率。图6是将纵轴作为半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率、将横轴作为用于超声波诊断的超声波的使用频率的图表。另外，图6记载了比较例一，该比较例一为了与半导体基板的声阻抗一致，使用PVC-钨的复合材料将声阻抗设定为20MRayl，其他结构将与实施例一相同的超声波探头。
从图6可以看出，与使衬垫层27的声阻抗与半导体基板15的声阻抗一致的比较例一相比，接近声透镜3的声阻抗的实施例一在普通的超声波的使用频率（2至15MHz）中，半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率低。例如，在超声波的使用频率为5MHz时，比较例一的声压反射率是85%，实施例一能够降低到63%。即，实施例一的超声波探头的多重反射的抑制程度高，因此能抑制由多重反射引起的虚线出现在超声波图像中，从而能够得到可靠性高的超声波图像。
另一方面，由于半导体基板15与衬垫层27的粘接时的加热，在半导体基板15与衬垫层27的粘接体上产生折叠。图7表示该折叠量。图7是使纵轴为粘接体的折叠量，使横轴为衬垫层的长度方向的距离的图表。另外，作为比较例2，在图7中记载了使用尼龙与钨的混合材料而形成的线膨胀系数60ppm／℃的衬垫层。根据图7，比较例2产生70mm左右的折叠，但实施例一能够将折叠量降低到10mm左右。因此，能够降低由折叠引起的结构歪斜，从而提高超声波探头的精度及可靠性。
另外，第二衬垫层29的线膨胀系数是100ppm／℃。但是，通过使第二衬垫层29使用比第一衬垫层27弹性率小，并且固化温度低的材料，能够由衬垫层29吸收在衬垫层27、29之间产生的热应力。由此，能够抑制衬垫层27、29间的结构歪斜。
另外，能够将第一衬垫层27的碳纤维33的混合量设定为例如40vol%。但是，当碳纤维33多时，碳纤维33占据衬垫层27的截面的比例多，声阻抗增加，因此优选碳纤维33的混合量的上限设定为50vol%以下。另外，碳纤维33的长度能够适当选择，例如能够使用长度3mm的碳纤维33。
另外，实施例一利用碳纤维33调整衬垫层27的线膨胀系数，但能够代替碳纤维33而利用玻璃纤维调整线膨胀系数。
另外，能调在衬垫层27中混合硅石或钨，从而调整衬垫层27的声阻抗。
实施例二
图8表示实施例二的超声波探头的、半导体基板15与衬垫层27的界面的超声波的声压反射率。实施例二与实施例一不同点在于将半导体基板15的板厚设定为30μm这一点。另外，在于由环氧树脂与钨的混合材料形成第二衬垫层29这一点。另外，其他结构与实施例一相同，因此省略说明。另外，实施例二的衬垫层29将声阻抗设定为4MRayl，将弹性率设定为500MPa，将厚度设定为6mm，将线膨胀系数设定为100ppm／℃，将固化温度设定为40°C。即，实施例二的衬垫层29其他结构与实施例一相同。
图8是将纵轴作为半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率，将横轴作为用于超声波诊断的超声波的使用频率的图表。另外，图8作为比较例三记载了为了与半导体基板的声阻抗一致，使用通过使用PVC-钨的复合材料而将将声阻抗设定为20MRayl的第一衬垫层，其他结构与实施例二相同的超声波探头。
从图8可以看出，就衬垫层27的声阻抗而言，与比较例三相比，实施例二在一般的超声波使用频率（2至15MHz）中，半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率低。例如，在超声波的使用频率为5MHz时，比较例三的声压反射率是85%，但在实施例二中，能够将声压反射率降低到58%。
另外，当比较实施例一与实施例二时，实施例二的半导体基板15和衬垫层27的界面的反射率低。因此，半导体基板15的板厚薄能够使半导体基板15和衬垫层27的界面的声压反射率低，从而多重反射的抑制效果高。
另外，即使在实施例二中，也与实施例一相同，能够将半导体基板15与衬垫层27的粘接体的折叠量抑制为10mm左右。
实施例三
图9表示实施例三的超声波探头的短轴方向的剖视图。实施例三与实施例一不同点在于由铁橡胶形成第二衬垫层29，由热固化型环氧树脂粘接剂粘接第一衬垫层27与第二衬垫层29。其他结构与实施例一相同，因此标注相同的符号并省略说明。
铁橡胶成形为设定尺寸，或切割为适当尺寸而形成。将该铁橡胶作为衰减材料，用于衬垫层29。衬垫层27与衬垫层29通过粘接材料的环氧树脂层35粘接。此时，将环氧树脂层35的厚度减薄到10μm以下。由此，与在超声波的使用频率的波长比较，材料厚度显著变小，因此能够忽略环氧树脂层35的声阻抗，能够抑制环氧树脂层35的界面的超声波的反射。
实施例三的超声波探头也与实施例一相同，能够降低半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率。另外，半导体基板15与衬垫层27的接合体的折叠量比实施例一小，为5mm。
另外，作为衬垫层29，除了铁橡胶以外，也能够使用含钨氯乙烯将等通常的超声波探头的衬垫材料作为基体的材料。
另外，粘接材料未限定于环氧树脂，能够使用固化温度接近室温，并且弹性率低的材料。
实施例四
以下说明实施例四。实施例四与图1的实施例一不同点在于使半导体基板15的板厚为25μm这一点。另外，在于使第二衬垫层29利用在热固化型的环氧树脂中混合了钨及微球的复合材料形成为厚度3mm这一点。其他结构与实施例一相同，因此省略说明。
衬垫层29通过在环氧树脂中混合钨与作为空心粒子的微球而形成。当混合微球时，是相同声阻抗，能够增大超声波的衰减率。因此，与实施例一相比，实施例四能够使衬垫层29的厚度为一半。
图10表示衬垫层29的超声波的衰减率与微球的配合量的关系。图10是将纵轴作为衬垫层29的超声波衰减率，将横轴作为微球的配合比的图表。从图10的图表可以看出，当微球的配合量增加时，超声波的衰减率增加。因此，能够使衬垫层29薄，因此能够使超声波探头轻量化。另外，实施例四的衬垫层29使声阻抗为4MRayl，使线膨胀系数为100ppm／℃，使弹性率为500MPa，使固化温度为40℃。
图11表示实施例四的超声波探头的半导体基板15与衬垫层27的界面的超声波的声压反射率。图11是将纵轴作为半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率，将横轴作为用于超声波诊断的超声波的使用频率的图表。另外，为了比较，图11记载了为了使第一衬垫层27与半导体基板的声阻抗一致，使用PVC-钨的复合材料将声阻抗设定为20MRayl，其他结构形成为与实施例四相同的比较例四的声压反射率。
如图11所示，实施例四的超声波探头与比较例四相比，能够降低半导体基板15与第一衬垫层27的界面的声压反射率。例如，超声波的使用频率在5MHz时能将声压反射率从85%降低到55%。另外，即使超声波的使用频率在10MHz附近的声压反射率，也能够从85%降低到70%左右。即使半导体基板15与第一衬垫层27粘接时的折叠量，也能够将折叠量降低到5mm左右。
实施例五
图12表示实施例五的超声波探头的截面结构。实施例五与实施例一的不同点在于在半导体基板15的背面侧通过粘接层25粘接支架材料39这一点。并且，在于挖出支架材料39的中央部，在该挖出部插入第一衬垫层27，将第一衬垫层27通过粘接层25粘接在半导体基板15的背面侧这一点。其他结构与实施例一相同，因此标注相同的符号并省略说明。
支架材料39由陶瓷或合金等材料形成，起到固定CMUT片1与挠性基板11的基台的作用。在支架材料39的中央部形成能插入衬垫层27的挖出部。衬垫层27插入挖出部而固定。衬垫层27形成为比CMUT片1小。这是因为，CMUT片1的音响放射部（超声波放射部）不是位于CMUT片1的整体，因此只在具有音响放射部的中央部配置衬垫层27，由衬垫层27覆盖音响放射部。
根据这种结构，能够由结构比衬垫层27稳定的支架材料39支撑CMUT片1，因此能够提高超声波探头的组装作业等的实用性。另外，实施例五的多重反射的抑制效果、以及结构歪斜的降低效果与实施例一相同。
实施例六
以下说明实施例六的超声波探头。实施例六与图1的实施例一不同点在于，在多孔质陶瓷中填充树脂，并形成第一衬垫层27这一点。另外，还在于在热固化型环氧树脂中混合钨而形成第二衬垫层29这一点。其他结构与实施例一相同，因此省略说明。
衬垫层27将声阻抗设定为6MRayl，将线膨胀系数设定为10ppm／℃。衬垫层29将声阻抗设定为6MRayl，将线膨胀系数设定为80ppm／℃，将弹性率设定为500MPa，将厚度设定为6mm。衬垫层29与实施例一相同，通过在固化温度40℃下流入而形成。另外，将半导体基板15的厚度设为40μm。
图13表示实施例六的超声波探头的、半导体基板15与衬垫层27的界面的超声波的声压反射率。图13是将纵轴作为半导体基板15和衬垫层27的界面的声压反射率，将横轴作为用于超声波诊断的超声波的使用频率的图表。另外，为了比较，在图13中记载了为了使第一衬垫层27与半导体基板的声阻抗一致，使用PVC-钨复合材料，并将声阻抗设定为20MRayl，其他结构与实施例六形成为相同的比较例五的声压反射率。
如图13所示，实施例六的超声波探头与比较例五相比，能够降低半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率。例如，在超声波的使用频率为5MHz时，能够将声压反射率从85%降低到70%。另一方面，实施例六与实施例一相比，声阻抗大，因此实施例六与实施例一相比，声压反射率大。因此，在将半导体基板15与衬垫层27的界面的声压反射率设定为例如比85%低的场合，衬垫层27的声阻抗优选设定为6MRayl以下。
符号说明
1—CMUT片，3—声透镜，5—衬垫层，13—CMUT元件，15—半导体基板，27—第一衬垫层，29—第二衬垫层，33—碳纤维。

Claims (10)

1.一种超声波探头，具备将超声波与电信号相互转换的容量性振动单元、在表面形成多个上述容量性振动单元的半导体基板、设在上述容量性振动单元的表面侧的声透镜、以及设在上述半导体基板的背面侧的衬垫层，该超声波探头的特征在于，
上述衬垫层具有与上述半导体基板接触的第一衬垫层、以及设在该第一衬垫层的背面侧的第二衬垫层，
上述第一衬垫层根据上述半导体基板的板厚设定声阻抗，
上述第二衬垫层由能使透过上述第一衬垫层的超声波衰减的衰减材料形成，声阻抗与上述第一衬垫层的声阻抗一致地设定。
2.根据权利要求1所述的超声波探头，其特征在于，
上述第一衬垫层的声阻抗与上述半导体基板的声阻抗相比，设定为接近上述声透镜的声阻抗的值。
3.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
上述第一衬垫层由树脂形成，上述第一衬垫层通过在该树脂中混入使该第一衬垫层的线膨胀系数接近上述半导体基板的线膨胀系数的调整材料而形成。
4.根据权利要求3所述的超声波探头，其特征在于，
上述调整材料是碳纤维或玻璃纤维，使纤维的长度方向与上述第一衬垫层的长度方向一致地混入上述树脂。
5.根据权利要求1或2所述的超声波探头，其特征在于，
上述第一衬垫层通过在多孔质陶瓷中填充树脂而形成。
6.根据权利要求3所述的超声波探头，其特征在于，
上述第二衬垫层的超声波衰减率比上述第一衬垫层的超声波衰减率高。
7.根据权利要求6所述的超声波探头，其特征在于，
上述第二衬垫层通过使用弹性率比用于上述第一衬垫层的树脂小的树脂而形成。
8.根据权利要求7所述的超声波探头，其特征在于，
上述第二衬垫层的声阻抗通过在形成上述第二衬垫层的树脂中混合钨或硅而接近上述第一衬垫层的声阻抗。
9.根据权利要求3所述的超声波探头，其特征在于，
上述半导体基板的板厚是25μm以上且50μm以下。
10.根据权利要求3所述的超声波探头，其特征在于，
上述超声波的频率范围是2MHz以上且15MHz以下，
第一衬垫层的声阻抗设定为1.5MRayl以上且6MRayl以下、优选设定为4MRayl以上且6MRayl以下。
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