CN110871157A - 超声波换能器阵列以及超声波探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声波换能器阵列以及超声波探测器，提高具备多个具有作为在上部电极以及下部电极之间具有间隙的CMUT的单元的电容器的超声波换能器阵列的性能。将电连接于作为搭载于芯片的CMUT的单元的电容器(C2)、根据多个排列的波道数量将作为保护增幅电路的(DC)部件用电容器使用的电容器(C1)形成于该芯片内。电容器(C1)是不会音频性地振动的静电容量元件。

Description

超声波换能器阵列以及超声波探测器
技术领域
本发明涉及超声波换能器阵列以及超声波探测器，尤其涉及适用于使用通过MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术制造的静电容量型超声波换能器的超声波换能器阵列以及超声波探测器并有效的技术。
背景技术
超声波传感器被实用化于如医疗用超声波电路诊断装置或非破坏检查用的超声波探伤装置等的多种超声波检查装置。
现有的超声波传感器利用压电体的振动的传感器是主流，通过近年来的MEMS技术的进步而进行使用了MEMS的静电容量型超声波换能器(CMUT：Capacitive Micro-machinedUltrasonic Transducer)的开发。
静电容量型超声波换能器是在半导体基板上形成在相互对置的电极间具有空洞部的振动件的装置。在该静电容量型超声波换能器中，对各电极重叠施加直流以及交流的电压并在共振频率附近使膜(可挠性膜)振动，由此产生超声波。
关于这样的静电容量型换能器的技术例如在专利文献(日本特表2017-508315号公告)中有记载。在专利文献1中公开了在上下的电极间具备一个空洞部、矩阵状地排列俯视中具有圆形的振动件的静电容量型超声波换能器。
现有技术文献
专利文献1：日本特表2017-508315号公报
由于CMUT具有广带域特性，因此可进行多种频率下的收发，因此能通过具备CMUT的一个探测器诊断在现有的压电式探触件中相当于3～4根探触件的诊断区域。可是，为了确保收发的灵敏度，必须在超声波探测器内搭载增幅电路以及增幅电路保护用的电容器，存在探触件大型化的问题。
发明内容
本发明的上述目的与新特征从本说明书的描述以及附图中能清楚。
如果简单地说明本申请中公开的实施方式中的代表性的技术的概要，则为以下内容。
作为一实施方式的超声波换能器阵列是将CMUT的振动件(CMUT单元或简称为单元)即第一电容器、与第一电容器电连接且不音频性地振动的第二电容器混装于同一芯片内的装置。
发明效果
如果简单地说明本申请公开的发明中的通过代表性技术而得到的效果，则为以下内容。
根据本发明，能够提高超声波换能器阵列的性能。尤其能够使超声波换能器阵列小型化。
另外，根据本发明，能够提高超声波探测器的性能。尤其能够使超声波探测器小型化。
附图说明
图1是表示作为本发明的实施方式1的超声波换能器阵列的俯视图。
图2是表示作为本发明的实施方式1的超声波换能器阵列的主要部分的俯视图。
图3是表示作为本发明的实施方式1的超声波换能器阵列的立体图。
图4是图2的A-A线的剖视图。
图5是说明作为本发明的实施方式1的超声波换能器阵列的电路的概略图。
图6是表示作为本发明的实施方式1的变形例1的超声波换能器阵列的剖视图。
图7是表示作为本发明的实施方式1的变形例2的超声波换能器阵列的剖视图。
图8是表示作为本发明的实施方式1的变形例3的超声波换能器阵列的立体图。
图9是表示作为本发明的实施方式1的变形例4的超声波换能器阵列的俯视图。
图10是表示包括作为本发明的实施方式2的超声波探测器的超声波回波诊断装置的立体图。
图11是表示作为本发明的实施方式2的超声波探测器的概略图。
图12是表示搭载作为比较例的超声波换能器阵列的超声波探测器的概略图。
图中：1、3、13—上部电极，2、4、14—下部电极，5—DC偏压配线，6、10、20—空隙，7—基板，8、9—层间绝缘膜，11、12—超声波探测器，61、62、63—辅助空隙，71、72、73—隔壁，130—超声波回波诊断装置，132—主体，133—显示部，136—操作部，137—连接部，138—电缆，AC—交流电源，AMP、CN、CR—基板，AMP1～AMP3—增幅电路，C1、C2、C3—电容器，CA—单元阵列，CH—波道，CHP1—芯片，DC—直流电源，PD、P1～P5—接合衬垫，R1、R2—电阻元件，SW1、SW2—收发切换开关，V1、V2—孔。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明的实施方式。并且，在用于说明实施方式的全部附图中，在具备相同功能的部件上标注同一符号，省略其重复的说明。另外，在以下的实施方式中，除非特殊需要时，作为原则不会重复同一或相同部分的说明。
(实施方式1)
构成本实施方式的超声波换能器阵列的静电容量型超声波换能器是使用如MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术而制造的超声波收发探测器。
＜超声波换能器阵列的结构＞
以下，使用图1～图5关于本实施方式的超声波换能器阵列的结构进行说明。图1以及图2是表示作为本实施方式的超声波换能器阵列的芯片的俯视图。在图2中将图1中的主要部分放大表示。图3是表示作为本实施方式的超声波换能器阵列的芯片配线结构的立体图。图4是表示本实施方式的超声波换能器阵列的芯片的剖视图。图4是图2的A-A线的剖视图。图5是说明本实施方式的超声波换能器阵列的电路的概略图。
本申请中的超声波换能器阵列不仅指将多个静电容量型超声波换能器单元排列的简单的单元阵列(后述的单元阵列CA)，还包括单元阵列、连接于该单元阵列的配线、孔以及元件(例如静电容量元件以及电阻元件)。即，超声波换能器阵列是接近一个芯片的概念。可是，由于超声波换能器阵列并不是比一个芯片大的概念，因此构成超声波换能器阵列的单元阵列、配线、孔以及元件的各个均形成于一个芯片内。
图1是表示形成有本实施方式的静电容量型超声波换能器阵列的芯片CHP1整体的俯视图。芯片CHP1具有沿厚度方向位于互为相反侧的主面(上面、表面)以及背面(下面)，在图1中表示芯片CHP1的主面侧的俯视图(上面图)。
如图1所示，芯片CHP1的平面形状例如是长方形、即矩形。在此，芯片CHP1在Y方向上延伸。即，芯片CHP1的长边方向为Y方向，芯片CHP1的短边方向为X方向。X方向以及Y方向是分别沿芯片CHP1的主面、及之后说明的半导体基板的主面的方向，在俯视中相互正交。在芯片CHP1的主面上配置在俯视中位于中央部的单元阵列(单元区域)CA、多个接合衬垫(以下，称为衬垫)PD。单元阵列CA的平面形状例如是长方形、即矩形。在俯视中包围单元阵列CA的区域是在俯视中与单元阵列CA不重合的周边区域，衬垫PD形成于周边区域。
多个衬垫PD在俯视中与单元阵列CA相邻地配置，位于单元阵列CA与芯片CHP1的端部之间。在X方向上与单元阵列CA相邻的多个衬垫PD在Y方向上排列配置。在Y方向上与单元阵列CA相邻的多个衬垫PD在X方向上排列配置。衬垫PD是芯片CHP1的输入输出用的端子，在衬垫PD上电连接接合线等。
在单元阵列CA中如图1中虚线所示，形成有在X方向上延伸的波道CH。波道CH在单元阵列CA的长边方向(Y方向)上排列多个而配置，与波道CH的数量对应，在X方向上与单元阵列CA相邻的区域上，多个衬垫PD在Y方向上排列而形成。在Y方向上排列的波道CH的数量例如是100～200左右。可是，在图1中为了容易理解附图，仅表示一个用表示波道CH的范围的虚线包围的区域。各波道CH分别具有1～数百个单元。因此，在单元阵列CA的整体中如矩阵状地排列有100～100000个左右的单元。
在图2中表示芯片CHP1的长边方向的端部的俯视图，在图3中俯视图2中表示的结构进行表示。在图2以及图3中，没有表示覆盖单元阵列CA以及电极等的各个的层间绝缘膜。另外，在图2中透过各个在上下方向上相互重叠的电极进行表示。另外，在图2中仅在电阻元件R1中付加剖面线。
如图2以及图3所示，在单元阵列CA上，在X方向上排列多个由在Y方向上延伸的导电膜形成的下部电极2。多个下部电极2的各个都在俯视中延伸至单元阵列CA的外侧。全部的下部电极2的各个的一部分在俯视中与单元阵列CA重叠。在Y方向中的下部电极2的端部的上表面上形成衬垫P2。多个衬垫P2相当于在图1中在X方向上排列的多个衬垫PD。
排列多个的下部电极2中、在X方向的最端部的下部电极2的旁边形成有在Y方向上延伸的DC偏压配线(直流电源配线)5。在Y方向上的DC偏压配线5的端部的上面形成衬垫P5。衬垫P5相当于在图1中排列于X方向上的衬垫PD之一。DC偏压配线5与多个下部电极2均形成为相同的高度。DC偏压配线5的整体在俯视中不与单元陈列CA重叠。换而言之，DC偏压配线5在俯视中与单元阵列CA以及形成于单元阵列CA的单元(振动件)离开。
在单元阵列CA中，在下部电极2上隔着空隙(空洞部)6形成上部电极1。上部电极1是在X方向上延伸的导电膜，在Y方向上排列多个而配置。在从多个上部电极1的各自的X方向的一端部向X方向延伸的引出配线的上面形成衬垫P1。多个衬垫P1相当于在图1中的单元阵列CA的四边中的沿在Y方向延伸的一边而排列于Y方向的多个衬垫PD。可是，在图3中为了容易理解图，仅表示一个上部电极1。即，仅表示在Y方向上形成多个的波道CH(参照图1)中的一个波道CH的上部电极1。实际上，形成从在Y方向排列的多个衬垫P1的各个在俯视中向X方向延伸的上部电极1。另外，在图2中省略一部分波道的上部电极1、3、下部电极4、电阻元件R1、孔V1以及V2的图示。
全部的上部电极1的各个的一部分在俯视中与单元阵列CA重叠。在单元阵列CA中，上部电极1与下部电极2在俯视中相互正交。在一个上部电极1与一个下部电极2在俯视中相互重叠的位置上，在上部电极1与下部电极2之间形成一个空隙6。即，空隙6在俯视中具有矩形的布局。
在俯视中相互重叠的下部电极2、空隙6以及上部电极1构成静电容量型超声波换能器阵列(CMUT：Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer)的一个单元。CMUT是可音频振动的静电容量元件(电容器)。即，上部电极1以及下部电极2隔着空隙6容量性地结合，空隙6上的包括上部电极1的层构成作为可动部的膜(可挠性膜)。通过对由下部电极2、空隙6以及上部电极1构成的电容器C2施加电压，在上部电极1以及下部电极2之间产生静电。此时，如果作为电压施加交流电压，则静电周期性地变化，通过膜振动而能够产生超声波。相反，如果电容器C2接收超声波则膜就会振动，产生电信号。即，电容器C2是能进行超声波的收发的元件。CMUT的单元是能产生超声波并发送超声波、且能接收超声波的最小单位的振动件(超声波振动件)。该振动件由静电型可变容量(可变容量探测器)构成。上部电极1以及下部电极2隔着空隙6以及绝缘膜(未图示)而相互绝缘。
本申请中的“音频振动的电容器”是指通过施加电压而能够使音波振动、通过接受音波而膜振动、产生电信号的电容器。相反，本申请中的“未音频振动的电容器”是指即使施加电压也不会使音波振动、不具备在接受音波时振动的部分、即使接受音波也不会产生电信号的电容器。
在作为在Y方向上延伸的多个下部电极2的各个、在X方向上延伸的多个上部电极1的各个相互正交的区域的单元阵列CA中，CMUT的单元在俯视中矩阵状地排列而配置。换而言之，单元阵列CA是可进行音频振动的电容器C2即单元矩阵状地排列的区域。与各单元相同，在俯视中多个空隙6也矩阵状地配置。可是，在图3中，为了容易理解图，仅表示在X方向排列的一列空隙6。并且，在DC偏压配线5的正上方未形成空隙6。
在上部电极1的正下方且下部电极2的下方形成有在俯视中的单元阵列CA内以及单元阵列CA外在X方向延伸的上部电极3。另外，在上部电极3的正下方形成有在俯视中的单元阵列CA内以及单元阵列CA外在X方向延伸的下部电极4。即，上部电极3以及下部电极4的各个在俯视中相互重叠，隔着绝缘膜(未图示)相互绝缘。容量性地结合的上部电极3以及下部电极4构成静电容量元件(电容器)。可是，由上部电极3以及下部电极4形成的电容器C1是不进行音频振动的电容器。即，即使对电容器C1施加电压也不会产生超声波，即使电容器C1接受超声波上部电极3以及下部电极4也不会振动，不会产生电信号。
上部电极3以及下部电极4不仅是在俯视中与单元阵列CA重叠的区域内，即使是在俯视中与单元阵列CA不重合的区域，也在Z方向(纵方向、垂直方向)上对置。Z方向是相对于X方向以及Y方向分别正交的方向，且是相对于芯片CHP1(参照图1)的主面、以及之后说明的半导体基板的主面分别垂直的方向。另外，即使在衬垫P1的正下方，上部电极3以及下部电极4也在Z方向上互相对置。如此，上部电极3以及下部电极4由于不仅在阵列单元CA内还在宽阔的区域中对置，因此电容器C1具有高静电容量。
在下部电极4的X方向的一端部的上面形成衬垫P4。多个衬垫P4相当于图1的单元阵列CA中的沿向Y方向延伸的一边排列于Y方向的多个衬垫PD。另外，未图示，但可以在上部电极3的X方向的一端部的上面形成衬垫。
上部电极1与上部电极3通过例如将上部电极的下面与上部电极3的上面连接的通孔(以下，简称为孔)V1电连接。孔V1是贯通层间绝缘膜(未图示)的导电性连接部。
上部电极1电连接于电阻元件R1。电阻元件R1在此如图3所示，与构成上部电极1的导电膜为一体，具有俯视中比上部电极1细的宽度，由之字形蛇行的图案构成。即，由于电阻元件R1具有之字形的布局、具备比较细长的导电路径、具有比上部电极1小的截面积，因此具有比较高的电阻值。并且，在图2中省略电阻元件R1这样的蛇行图案的图示，简化电阻元件R1并表示。
电阻元件R1的端部中的与上部电极1连接的一侧的端部的相反侧的端部和DC偏压配线5例如通过将电阻元件R1的下面与DC偏压配线5的上面连接的孔V2电连接。即，排列于Y方向上的全部波道的上部电极1通过各波道的电阻元件R1电连接于共通的DC偏压配线5。孔V2是贯通层间绝缘膜(未图示)的导电性连接部。
衬垫P1、P2、P4以及P5分别包括从上述层间绝缘膜(未图示)露出的金属面，配置于在俯视中与单元阵列CA离开的位置上。上部电极1、3、下部电极2、4以及DC偏压配线5分别是由如Al(铝)等形成的导电膜。上部电极1可以由如Si(硅)膜构成。另外，上部电极1、3、下部电极2、4以及DC偏压配线5的各个在俯视中都具有矩形的布局。
并且，电阻元件R1不是上部电极1的一部分。另外，与电阻元件R1在Y方向上并列且连接于衬垫P1的细长图案不是上部电极1的一部分，是用于将上部电极1与衬垫P1电连接的引出配线(导电性连接部)。因此，上部电极1在俯视中具有矩形的布局。至少在俯视中与下部电极2重叠，构成电容C2的上部电极1的平面形状是矩形。
其次，使用图4，关于各波道的剖面结构进行说明。如图4所示，本实施方式的芯片具有基板7。基板7例如由单结晶Si(硅)与SiC(碳化硅)的半导体形成，但根据用途也可以使用石英或聚酰亚胺等的绝缘体。在基板7上形成有例如由氧化硅膜或氮化硅膜构成的层间绝缘膜8。在层间绝缘膜8内形成有在基板7上依次形成的下部电极4以及上部电极3。下部电极4以及上部电极3的各个被层间绝缘膜8覆盖周围，隔着层间绝缘膜8而相互离开。
在层间绝缘膜8上形成有下部电极2。另外，在下部电极2上形成有例如由氧化硅膜形成的层间绝缘膜9。在层间绝缘膜9内形成在下部电极2上依次形成的空隙6以及上部电极1。空隙6以及上部电极1的各个被层间绝缘膜9覆盖周围。即，空隙6是形成于层间绝缘膜9内的空洞部，空隙6内例如为真空。在各波道中，上部电极1、3、下部电极2、4以及空隙6在俯视中相互重叠。即，由上部电极3以及下部电极4构成的电容器C1、由上部电极1以及下部电极2构成的电容器C2在俯视中相互重叠。在此，将层间绝缘膜8、9的各个表示为一个膜，但实际上，层间绝缘膜8、9的各个可以由多个绝缘膜的层叠体构成。
其次，使用图5关于本实施方式的超声波换能器阵列的结构以及动作进行说明。
作为本实施方式的超声波换能器阵列的芯片CHP1(参照图1)是具有作为CMUT(静电容量型超声波探测器)的多个单元、即多个振动件的装置。
该单元相当于由图5所示的上部电极1以及下部电极2构成的电容器C2。多个下部电极2的各个连接于直流电源(直流电压源)DC的负侧的端子，直流电源DC的正侧的端子通过电阻元件R1连接于上部电极1。另外，直流电源DC的正侧的端子通过电阻元件R1连接于电容器C1的第一端子，上部电极1也连接于电容器C1的第一端子。电容器C1的第二端子通过增幅电路AMP1连接于例如超声波回波诊断装置(超声波诊断装置、超声波图像装置)的主体侧。关于超声波回波诊断装置使用图10后述。增幅电路AMP1具有将CMUT的多个振动件接收的信号增幅、并向超声波回波诊断装置的主体侧发送的作用。在图5中，用单点划线包围超声波回波诊断装置的主体结构并进行表示。
电容器C1的上述第一端子相当于例如图2以及图3所示的上部电极3，在该情况下，电容器C1的上述第二端子相当于图2以及图3所示的下部电极4。相反，也可以第一端子相当于下部电极4、第二端子相当于上部电极3。以下，关于第一端子相当于上部电极3、第二端子相当于下部电极4的情况进行说明。
图5所示的电阻元件R1相当于图2以及图3所示的电阻元件R1。图2以及图3所示的DC偏压配线5连接于直流电源DC的正侧的端子。即，在各波道的电阻元件R1中通过图3所示的孔V2从DC偏压配线5供给DC偏压电压。如图5所示，电阻元件R1、电容器C1的第一端子(上部电极3)以及上部电极1连接于结点A1。另外，电容器C1的第二端子(下部电极4)以及增幅电路AMP1连接于结点B1。
在此，在结点B1上通过增幅电路AMP2连接交流电源AC。实际上，在交流电源AC与结点A1之间连接在由CMUT进行的发送动作时为打开状态、在由CMUT进行的接收动作时为关闭状态的开关元件即收发切换开关SW1以及SW2。收发切换开关SW1以及SW2通过在从增幅电路AMP2的施加驱动电压时导通，通过电容器C1向电容器C2施加该驱动电压。同时，通过使增幅器AMP1以及AMP3分离，防止施加驱动电压而破坏增幅器AMP1以及AMP3。作为具有收发切换开关SW1以及SW2功能的电路元件例如可使用二极管或FET(Field Effect Transistor、电场效果晶体管)等。
电容器C1具有防止由从直流电源DC供给的电压破坏增幅电路AMP1的作用。并且，电容器C1同时还具有防止因从直流电源DC向增幅电路AMP2的输出端子供给而破坏增幅电路AMP2的作用，但在即使不通过电容器C1也能够保护增幅电路AMP2的情况下，交流电源AC可以通过增幅电路AMP2连接于结点A1。交流电源AC是在CMUT的发送动作时用于驱动CMUT的驱动信号源。
在使用CMUT产生超声波的动作(发送动作)中，通过向下部电极2以及上部电极1重叠施加直流以及交流的电压，静电在下部电极2与上部电极1之间进行动作，各振动件的空隙6(参照图3)上的膜根据膜与弹力的平衡，以与交流电源AC的动作频率相应的频率在垂直方向上振动。此时，上部电极1与下部电极2之间的最大电位差例如是300V。由此，从振动件产生数MHz(例如1～10MHz)的超声波(超声波脉冲)。
上述直流电压从图5所示的直流电源DC向电容器C2施加。另外，上述交流电压从图5所示的交流电源AC向电容器C2施加。交流电源AC的电压例如是10～100V、或100V以上。直流电源DC的电压例如是100～200V。电容器C1的静电容量例如是大约1000pF。电阻元件R1的电阻值例如是500kΩ。
另外，在由CMUT进行的接收动作中，通过到达各振动件的膜的超声波的压力而膜振动，下部电极2与上部电极1之间的静电容量变化，从而能够检测超声波。即，将由反射波产生的下部电极2与上部电极1的间隔的位移作为静电容量(各振动件的静电容量)的变化进行检测。如此，通过使用静电容量型超声波换能器进行超声波的收发，能够拍摄例如生物体组织的断层图像。即，CMUT是容量检测型的超声波探测器。如此，即使进行使用了CMUT的收发动作，在不会音频性振动的电容器C1中，电容器C1的一部分振动也不会收发超声波。
电容器C1是为了防止由从直流电源DC供给的电压破坏增幅电路AMP1而插入直流电源DC与增幅电路AMP1之间的DC部件用电容器。通过形成电容器C1，在增幅电路AMP1中仅流经微小的交流信号。将电阻元件R1连接于直流电源DC的正端子的理由之一为通过由膜的振动而产生的电容器C2的静电容量变化，根据从直流电源DC流入的电流，在结点A1中产生电压变化，从而将接收超声波转换为电压。将电阻元件R1连接于直流电源DC的正极端子的另一理由为在具备搭载了CMUT的芯片的超声波探测器(参照图10)故障而发生漏电时防止对检测对象(例如生物体)从直流电源DC流出大的电流。另外，将电阻元件R1连接于直流电源DC的正端子的其他理由之一为在超声波换能器阵列的电源投入时较大的突发电流不会流经增幅电路AMP1。另外，将电阻元件R1连接于直流电源DC的正端子的其他理由之一为接收信号在Y方向(参照图2)中相邻的各个波道的元件彼此混淆的情况。即，通过形成电阻元件R1，能够弱化波道之间的电结合。
因上述理由，在构成CMUT的单元阵列CA(参照图2)的多个波道的各个中需要电容器C2、电阻元件R1以及增幅电路AMP1。即，在图5中用虚线包围的范围内的元件以及电路根据波道的数量而需要多个。本实施方式的主要特征之一在于与作为构成CMUT的振动件的电容器C2不同，在芯片中与电容器C2一起搭载不会音频性振动的电容器C1。另外，本实施方式的主要特征之一在于在芯片中与电容器C2一起搭载电阻元件R1。如图2所示，电阻元件R1以及DC偏压配线5在俯视中配置于单元阵列CA的外侧。另外，如图2以及图3所示，配置于电容器C2的正下方的电容器C1的一部分在俯视中配置于单元阵列CA的外侧。
＜本实施方式的超声波换能器阵列的效果＞
以下，使用图12关于本实施方式的超声波换能器阵列的效果进行说明。图12是搭载作为比较例的超声波换能器阵列的超声波探测器的概略图。
如上述，在包括构成CMUT的多个单元的波道中需要连接电阻元件以及DC部件用电容器。在此，由于波道在一个芯片中例如排列100～200左右而配置，因此相对于各个波道连接的电阻元件以及DC部件用电容器的数量也需要100～200左右。
在图12中作为比较例表示在前端具备包括CMUT的芯片CHP2的探触件、即超声波探测器12。比较例的超声波探测器12在其内部搭载多个印刷电路板。在超声波探测器12内的多个印刷电路板上例如具有搭载了与各波道的数量对应的多个上述电阻元件以及多个DC部件用电容器的基板CR、搭载了图5所示的增幅电路AMP1的基板AMP、搭载了将增幅电路AMP1与超声波回波诊断装置连接的连接器电路的基板CN。
这些基板CR、AMP以及CN可以是相互不同的印刷电路板，也可是一个印刷电路板。可是，在比较例中，若为了与CMUT的各波道的数量对应地将作为受动部件的电阻元件以及作为受动部件的部件用电容器分别搭载于多个印刷电路板上而在一个印刷电路板上搭载基板CR、AMP以及CN的全部受动部件以及芯片，该印刷电路板的面积非常大。因此，在图12中基板CR、AMP以及CN的各个排列而配置，但实际上在超声波探测器12内多个印刷电路板相互重叠而配置。将超声波探测器12内的全部的印刷电路板的实际安装面积中的如30～40％作为实际安装电阻元件以及部件用电容器的面积。
在此，由于根据波道的数量将作为受动部件的电阻元件以及作为受动部件的部件用电容器收纳于超声波探测器12内，因此超声波探测器12会大型化而产生如下问题。即，例如会产生难以把持超声波探测器12的把手的问题、及在将超声波探测器12接触于被检测体(生物体)时以期望的角度接触变得困难的问题。
因此，在本实施方式中如图2以及图3所示，在搭载CMUT的单元的芯片CHP1上混装电阻元R件1、作为DC部件用电容器的电容器C1。由此，由于不需要分别准备作为受动部件的电阻元件以及作为受动元件的DC部件用电容器，因此能够使超声波换能器阵列小型化。即，能够提高超声波换能器阵列的性能。
电阻元件R1例如能通过改变构成上部电极1的导电膜的布局而形成，电容器C1在不具有膜而不会音频振动的方面与电容器C2不同，但能够通过与电容器C2相同的技术而形成于芯片CHP1内。即，在芯片CHP1中搭载电阻元件R1以及电容器C1时没有特殊的困难性，通过已有的技术就能够形成电阻元件R1以及电容器C1。另外，在俯视中能够在单元阵列CA的周围追加电阻元件R1而形成、在俯视中在重叠于单元阵列CA的区域以及单元阵列CA周围的区域中形成电容器C1，因此即使在芯片CHP1形成电阻元件R1以及电容器C1也能够防止芯片CHP1的面积增大。即，图1所示的芯片CHP1在单元阵列CA两侧没有引线接合，为了由倒装式接合进行的配线连接而设置衬垫。
单元阵列CA具备例如4mm的宽度，但需要防止在配线连接时单元阵列CA与连接装置接触而破损的不良状况、或用于配线连接的部件覆盖单元阵列CA而阻碍声音传递等的不良状况。为了防止这些不良状况，需要使接合衬垫PD从单元阵列CA中充分地离开而设置。其结果，芯片CHP1例如在短边方向上具有8mm的宽度。在本实施方式中，由于能够使用单元阵列CA两侧的2mm的区域形成电容器C1以及电阻元件R1，因此能够有效地利用芯片面积。
另外，在此，与单元阵列CA的下部电极2并列地在俯视中在单元阵列CA的旁边形成DC偏压配线5，通过各波道的电阻元件R1将各波道的上部电极1并列地连接于DC偏压配线5。为了实现这样的连接，DC偏压配线5与下部电极2并行延伸。换而言之，DC偏压配线5在波道排列的方向上延伸。因此，能够防止芯片CHP1面积的增大、且通过各波道的电阻元件R1向各波道的上部电极1供给DC偏压电压。
另外，上部电极1、3、下部电极2及4的各个在俯视中具有矩形的布局。由此，能够增大作为各振动件的电容器C2的静电容量、提高CMUT的灵敏度、且能够增大电容器C1的静电容量。电容器C1为了作为DC部件用电容器而发挥功能而需要具备比较大的静电容量(例如1000pF)，为了满足电容器C1所期望的静电容量特性，上部电极3以及下部电极4的对置面积优选大。因此，在本实施方式中，使电容器C2以不仅是在俯视与单元阵列CA重叠的区域内，还延伸到单元阵列CA外侧的区域的方式形成。例如，能够使构成电容器C2的上部电极3以及下部电极4延伸至俯视中包围单元阵列CA的周边区域内且衬垫P1正下方的区域。由此，能够防止芯片CHP1的面积增大、且增大电容器C1的静电容量。
另外，即使在电容器C2的下面设置电容器C1，包括电容器C2下的电容器C1以及半导体基板7(参照图4)的层的厚度相对于用CMUT收发的超声波也十分薄，例如能够为超声波波长的1/20以下，因此不会对超声波换能器阵列的音频特性施加不良影响。另外，电容器C1如将陶瓷积层的电容器那样具有厚度，其结果由并不是坚硬的结构、将铝膜以及氧化硅膜等的比较柔软的材料层叠的、总计厚度为数微米左右的薄结构构成。因此，能够防止对超声波换能器阵列的音频特性施加不良影响。具体的说，在芯片由硬质材料构成的情况下，芯片以及膜的音频阻抗相对于被检测体(生物体)或水等各个的音频阻抗过大，由此，在CMUT与被检测体之间反射超声波，其结果，会降低超声波换能器阵列的灵敏度。相对于此，由于在本实施方式中芯片由比较柔软的材料构成，因此能够防止超声波换能器阵列的灵敏度降低。
并且，在此关于通过将图3所示的电阻元件R1细小地蛇行的布局而构成，从而较高地设定电阻元件R1的电阻值进行了说明，但也可以由电阻率比上部电极1高的材料(例如W(钨)或Ti(钛))构成电阻元件R1。在该情况下，上部电极1与电阻元件R1通过由不同的工序而形成的不同的膜而构成，但也可以使上部电极1与电阻元件R1相互接触、或通过配线以及孔等将上部电极1与电阻元件R1电连接。
另外，在此关于通过孔V1将上部电极1、3的各个连接进行了说明。但也可以不形成孔V1而用其他路径将上部电极1、3分别电连接。例如，可以在上部电极3的延伸方向的端部的上面形成从层间绝缘膜露出的衬垫，通过接合线以及印刷电路板等电连接该衬垫和衬垫P1。
另外，上部电极1也可以不是上部电极3，而电连接于下部电极4。
＜变形例1＞
如图6所示，可以在构成电容器C1的上部电极3以及下部电极4的相互之间形成空隙10。图6是表示作为本实施方式的变形例1的超声波换能器阵列的剖视图。
在层间绝缘膜8覆盖周围的空隙10内例如是真空。上部电极3配置于空隙10的正上方，但空隙10与下部电极2之间的层可具有比形成于空隙6的上部的膜厚的厚度，即使对电容器C1施加电压，该层也不会振动。另外，在空隙10的内部设置多个隔壁或支柱，也可以抑制该层的变形。即，电容器C1是不会音频性地振动、不进行超声波收发的静电容量元件。
＜变形例2＞
如图7所示，可以在电容器C1的正下方形成具有与电容器C1相同作用的电容器C3。图7是表示作为本实施方式的变形例2的超声波换能器阵列的剖视图。
电容器C3具有与电容器C1相同的结构。即，电容器C3在层间绝缘膜8内通过在纵向上互相对置的下部电极14与上部电极13构成。在此，在下部电极4与上部电极3之间形成空隙10，在下部电极14与下部电极14上的上部电极13之间形成空隙20，但也可以不形成这些空隙。即，下部电极4与上部电极3之间、及下部电极14与上部电极13之间的各个可以仅形成如层间绝缘膜8。
电容器C1与电容器C3相互并列地连接。因此，由于图5所示的电容器C1的实效面积增大，因此能够增大图5所示的电容器C1的静电容量。即，即使是图5所示的电容器C1要求比较高的静电容量特性的情况，也能通过在电容器C2下方层叠多个电容器，不增大芯片的面积地得到所期望的该容量特性。
＜变形例3＞
如图8所示，电阻元件R2并不是通过由细的布局形成而增大电阻值，也可以通过使构成电阻元件R2的膜薄膜化，增大电阻元件R2的电阻值。即，电阻元件R2通过被薄膜化而截面积变小，电阻值增大。图8是表示作为本实施方式的变形例3的超声波换能器阵列的立体图。
在该情况下，电阻元件R2的材料与上部电极1既可以相同也可以不同。这样的电阻元件R2例如在形成构成上部电极1以及电阻元件2的图案之后，通过仅蚀刻构成电阻元件R2的部分的该图案而形成。
＜变形例4＞
图9是表示作为本发明的实施方式1的变形例4的超声波换能器阵列的俯视图。在图9中表示将电极间的空隙分割为多个的情况下的多个变形例。
单元阵列CA中的空隙6形成于上部电极1与下部电极2在俯视中相互重叠的区域。该空隙6从芯片面积活用的角度优选相对于各个区域仅设置一个、且使形状为矩形。
另一方面，若扩大间隙6，则膜的支点间距离扩大，膜不会变得过度柔软。作为其结果降低共振频率，降低高频带中的灵敏度。在该情况下，如图9所示，可以在空隙6内形成隔壁71、72或73，将空隙6分割为多个辅助空隙61、62或63而提高膜的共振频率。此时，辅助空隙的形状除了矩形(参照辅助空隙61)还可以为圆形(参照辅助空隙62)或六角形(参照辅助空隙63)。在设置辅助空隙61～63的情况下，这些的配置从灵敏度的观点考虑优选在空隙6占据的区域内无间隙地铺满。
(实施方式2)
其次，关于将上述实施方式1以及上述实施方式1的变形例1～4任一项的超声波换能器阵列(芯片)适用于如超声波回波诊断装置(超声波诊断装置、超声波图像装置)等的超声波检测装置的情况，使用图10以及图11进行说明。
图10是表示包括本实施方式的超声波探测器的超声波回波诊断装置的立体图。
图11是表示本实施方式的超声波探测器的概略图。
超声波回波诊断装置是利用声波的透过性并使用超过可听声音区域的超声波实时地将从外部不能观察的生物体内部图像化而可视的医疗用诊断装置。如图10所示，超声波回波诊断装置130具备主体132、设置于主体132的上部的显示部133、安装于主体的前面部分的操作部136、包括芯片CHP1的超声波探测器(超声波探触件)11。电缆(电线)138从超声波探测器11延伸，该电线在连接部137上连接于主体132。操作部136例如是光标、键盘或鼠标等的输入设备或将那些组合的结构。显示部133是显示被图像处理过的诊断图像的显示装置。
向芯片CHP1从主体侧132侧的发送放大器AMP2以及DC偏压电源DC通过电缆138供给交流电压以及直流电压。图11所示的超声波探测器11是超声波的收发部。在构成超声波探测器11的探测器壳体的前端面上，芯片CHP1在使其主面(多个振动件的形成面)向外部的状态下安装。
为了芯片CHP1的表面以不会损坏单元阵列CA的方式保护、且高效地向被检测体(生物体)传送超声波，可以用包覆层覆盖。通过该包覆层具备凸透镜状的截面形状，可以具有作为聚集超声波的音频透镜的功能。在该包覆层或音频透镜中能够使用硅橡胶、软质聚氨酯树脂或弹性体等的材质。在该包覆层的材质中优选选择第一具备电性、第二具备近似被检测体的音频阻抗的材质。
在超声波诊断时，在超声波探测器11的前端碰到被检测体的表面之后，超声波探测器11的前端一边使碰触到被检测体的表面的位置偏离一边扫描。此时，从接近体表的超声波探测器11向被检测体内发送数MHz的超声波脉冲，接收来自音频阻抗不同的组织边界的反射波(响应或回波)。由此，得到图10所示的显示部133中所显示的生物体组织的断层图像，能够了解关于诊断对象的信息。通过在发送超声波之后至接收的时间间隔得到反射体的距离信息。另外，能得到与反射波等级、或从外形至反射体的存在、或体质相关的信息。
如图11所示，超声波探测器11在其内部搭载多个印刷电路板。在超声波探测器11内的多个印刷电路板中具有例如搭载了图5所示的增幅电路AMP1的基板AMP、搭载了连接增幅电路AMP1与超声波回波诊断装置130(参照图9)的连接器电路的基板CN。
这些基板AMP以及CN既可以是相互不同的印刷电路板，也可以是一个印刷电路板。在图11中将基板AMP以及CN的各个排列并表示，但这些基板也可以在超声波探测器11内在厚度方向层叠。
在本实施方式中，如图2以及图3所示，将电阻元件R1、作为DC部件用电容器的电容器C1混装在搭载了CMUT的单元的芯片CHP1。由此，如图12所示的比较例，由于不需要分别准备作为受动部件的电阻元件以及作为受动部件的部件用电容器、与基板AMP等相同将搭载那些受动部件的印刷电路板配置于超声波探测器11内，因此能够使超声波探测器11小型化。即，能够提高超声波探测器11的性能。
以上，基于实施方式具体地说明由本发明者们研究的发明，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内可有多种变更。
例如，在上述实施方式1、2中关于作为靠近生物体等的表面的医疗用诊断装置使用超声波换能器阵列以及超声波探测器的情况进行说明，但在上述实施方式1、2中说明的超声波换能器阵列以及超声波探测器可使用于导管、显微镜或工业用非破坏检测装置等的多种超声波检查装置。

Claims (12)

1.一种超声波换能器阵列，其特征在于，
具有：
基板；
第一电极，其形成在上述基板上，且在沿上述基板的上面的第一方向上延伸；
第二电极，其形成在上述基板上，且在俯视中与上述第一方向正交的第二方向上延伸；
第三电极，其在上述基板上形成于上述第一电极以及上述第二电极的下方，且在上述第一方向上延伸；
第四电极，其在上述基板上形成于上述第一电极以及上述第二电极的下方，且在上述第一方向上延伸；以及
第一空隙，其在俯视中上述第一电极的一部分与上述第二电极的一部分相互重叠的第一区域内，形成于上述第一电极与上述第二电极之间，
俯视中相互重叠的上述第三电极与上述第四电极构成第一电容器，
俯视中相互重叠的上述第一电极、上述第二电极以及上述第一空隙构成由第二电容器构成的超声波振动件，
上述第一电极、上述第二电极、上述第三电极以及上述第四电极的各自的平面形状为矩形。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第一电容器不会音频性地进行振动。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
还具有：
配线，其在上述第一方向上与上述第二电极并列配置，且在上述第二方向上延伸；以及
电阻元件，其一端与上述第一电极连接，另一端与上述配线电连接，
上述配线与直流电源电连接。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第一电容器的一部分与上述第一区域重叠，上述第一电容器的另一部分在俯视中与上述第一区域未重叠的周边区域中在上述第一方向上延伸。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第一电容器的一部分位于形成于上述周边区域的接合衬垫的正下方。
6.根据权利要求3所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述电阻元件与上述第一电极为一体，具有比上述第一电极小的截面积。
7.根据权利要求3所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第一电极、上述第三电极、上述第四电极以及上述电阻元件在上述第二方向上排列多个而配置，
多个上述第一电极分别经由多个上述电阻元件与上述配线电连接。
8.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第二电极与直流电源的负侧的端子电连接，
上述第三电极分别与上述直流电源的正侧的端子以及上述第一电极电连接，
上述第四电极与增幅电路电连接。
9.根据权利要求8所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
上述第三电极或上述第四电极与驱动信号源电连接，该驱动信号源在通过上述超声波振动件使超声波振荡时向上述第二电容器供给电压。
10.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
多个上述第一电容器在纵向上重叠而形成，
多个上述第一电容器相互并列地连接。
11.根据权利要求1所述的超声波换能器阵列，其特征在于，
在上述第三电极与上述第四电极之间形成有第二空隙。
12.一种超声波探测器，其特征在于，
具备权利要求1所述的超声波换能器阵列。
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