JP2004120320A

JP2004120320A - 超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004120320A
Application number: JP2002280563A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakamura; 中村　隆
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】２次元に配置された多数の微細な振動子を含み、周囲に配置される部材との間で音響的な不具合を生じさせることのない超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】この超音波トランスデューサアレイは、所定の音響特性を有する基板４と、基板の１つの面上に形成された第１の電極７と、第１の電極が形成された基板の面に圧電セラミックを含む原料の粉体を噴射して堆積させることにより形成された圧電セラミック層を含み、２次元状に配置された複数の圧電素子６と、複数の圧電素子にそれぞれ接続された複数の第２の電極８とを有する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断医療において超音波を送信及び受信する超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を用いて３次元画像を取得する際には、深度方向の断面について得られる複数の２次元画像を合成していた。この２次元画像は、１次元センサアレイを用い、超音波ビームのフォーカス位置と送受信方向を変化させることによって被検体を１つの断面において走査することにより得られる。さらに、１次元センサアレイを機械的に移動させながら複数の２次元画像を取得し、これらを合成することにより３次元画像が得られる。しかしながら、この手法によれば、１次元センサアレイを移動させる時間がかかるため、異なる時刻における断面像を合成することになり、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、生体のように、動きを伴う被写体のイメージングには適していない。リアルタイムに３次元画像を取得するためには、センサアレイを移動させることなく２次元画像を取得することができる２次元センサアレイが必要である。
【０００３】
通常、超音波の送信及び受信に用いられる素子（超音波トランスデューサ）として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電素子が用いられている。この圧電素子の両端に電極を形成し、電極を介して圧電素子に電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮し、超音波が発生する。そこで、多数の圧電素子を配列し、所定の時間差を設けてこれらの圧電素子を駆動すると、それぞれの圧電素子から発生する超音波の合成により、所望の深度に焦点を有する超音波ビームが所望の方向に送信される。
【０００４】
このような２次元センサアレイを有する超音波用探触子を実用化するためには、これらの素子を高集積化しなければならない。そのためには、素子の微細加工と、多数の微細素子への配線が必要となるが、現状以上の素子の微細化と集積は困難であり、これらを解決する手法が検討されている。
【０００５】
ところで、圧電素子を利用した機器として、圧電ポンプや圧電アクチュエータ等のＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）関連の機器が知られている。このような分野においては、ガスデポジション法、又は、ＪＰＳ（ジェットプリンティングシステム）と呼ばれる方式によってＰＺＴを成膜することが行われている。しかしながら、ＭＥＭＳ関連の機器においては、ＰＺＴを成膜するための基板としてシリコン基板やステンレス基板が一般的に用いられており、製造工程の違いや音響的な観点から、その技術をそのまま２次元センサアレイの作製に適用することはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明の第１の目的は、２次元に配置された多数の微細な振動子を含む超音波トランスデューサアレイを提供することである。また、本発明の第２の目的は、振動子と周囲に配置される部材との間で音響的な不具合を生じさせることのない超音波トランスデューサアレイを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る超音波トランスデューサアレイは、所定の音響特性を有する基板と、基板の１つの面上に形成された第１の電極と、第１の電極が形成された基板の面に圧電セラミックを含む原料の粉体を噴射して堆積させることにより形成された圧電セラミック層を含み、２次元状に配置された複数の圧電素子と、複数の圧電素子にそれぞれ接続された複数の第２の電極とを具備する。
【０００８】
また、本発明の第１の観点に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法は、所定の音響特性を有する基板の１つの面上に第１の電極を形成する工程と、圧電セラミックを含む原料の粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成する工程と、第１の電極が形成された基板の面にエアロゾルを噴射して原料の粉体を堆積させることにより、圧電セラミック層を形成する工程と、圧電セラミック層を分割することにより、２次元状に配置された複数の圧電素子を形成する工程と、複数の圧電素子に複数の第２の電極をそれぞれ接続する工程とを具備する。
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、基板に圧電セラミックを成膜することにより振動子を作製するので、多数の振動子が２次元に配置された超音波トランスデューサアレイを容易に作製することができる。
【００１０】
また、本発明の第２の観点に係る超音波トランスデューサアレイにおいて、上記基板の音響インピーダンスは、１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ以下である。この基板は、ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）を含んでも良い。さらに、本発明の第２の観点に係る超音波トランスデューサアレイは、上記基板の第２の面に接合され、音響インピーダンスが７×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ以下であるバッキング材をさらに具備しても良い。
【００１１】
本発明の第２の観点によれば、複数の振動子を配置する基板に、所定の音響特性を有する材料を用いるので、背面に配置されるバッキング材等との間で音響的な不具合を生じさせることなく超音波の送受信を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを含む超音波用探触子を示す断面図である。この超音波用探触子は、超音波トランスデューサアレイ１と、バッキング材２と、音響整合層３とを含んでいる。
【００１３】
超音波トランスデューサアレイ１は、基板４と、基板４上に２次元に配列されている複数の振動子５を含んでいる。各々の振動子５は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックを原料とする圧電素子６と、圧電素子に形成されている電極７、８とを含んでいる。各振動子５において、圧電素子６は、電極７、８を介して電圧を印加されることより伸縮し、超音波を発生する。また、各振動子５において、圧電素子６は、超音波を印加されることにより伸縮し、電気信号を発生する。図１において、電極７、８は、圧電素子６の両端、及び、圧電素子の中の複数の層に渡って形成されている。このように、振動子５を積層構造にすることは、単層構造の振動子に対し、対面する電極の面積を増すことになるので、各振動子における電気的インピーダンスを下げることができ、印加される電圧に対して効率良く超音波を発生することができる。なお、圧電素子の両端にのみ電極が形成される単層構造にしても良い。
【００１４】
バッキング材２は、基板４の背面に接合されており、振動子５において発生した超音波の反射を少なくし、超音波の減衰を早める。バッキング材２としては、例えば、フェライト、ＰＺＴ、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、タングステン等の粉体をエポキシ樹脂等の樹脂系材料やゴム系材料中に分散させ、固化させたものが用いられる。このように作製される材料の音響インピーダンスは、概ね４〜６×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ程度である。
【００１５】
音響整合層３は、複数の振動子５の前面に形成されており、生体組織である被検体と振動子との間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、振動子によって発生した超音波が、効率良く被検体中に送信される。音響整合層３の材料としては、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスや金属等の粉体をエポキシ樹脂等の樹脂系材料中に分散させ、固化させたものが用いられる。また、音響整合層３として、このような材料を１層のみ設けても良いし、複数の材料を積層して設けても良い。音響整合層３の音響インピーダンスは、被検体と超音波トランスデューサアレイとの間の値であることが必要であり、概ね４〜６×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ程度の値を有する材料が用いられる。
【００１６】
次に、基板４に用いられる材料について詳しく説明する。
本実施形態において、振動子５は次のように作製される。即ち、基板４上にＰＺＴ等の圧電セラミックの粉末を用いて成膜を行い、圧電セラミック層を形成する。次に、この圧電セラミック層を、例えば、９００℃でアニールして分極処理を行い、さらに、機械的加工や化学的エッチング等の処理を行う。従って、本実施形態において用いられる基板４には、絶縁性を有すると共に、成膜工程やアニールに耐えられる耐熱性と、機械的強度や化学的耐性を含む加工性とを有することが求められる。さらに、そのように作製された振動子５は、基板４に接合されたまま超音波用探触子に適用される。従って、基板４には、送受信される超音波の特性を損なわないように、振動子５や基板４の裏面に接合されるバッキング材２との関係を考慮した音響特性を有することが求められる。
【００１７】
そこで、このような基板４に用いられる材料として、どのようなものが適当であるか検討した。一般的に振動子の材料に用いられるＰＺＴの音響インピーダンスは、３０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ程度である。また、バッキング材としては、音響インピーダンスが４〜６×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ程度のものが用いられる。従って、それらの間に配置される基板の音響インピーダンスは、ＰＺＴの音響インピーダンスとバッキング材の音響インピーダンスとの間の値を有していることが条件となる。しかしながら、基板とバッキング層との音響的な不具合を最小限に留めるためには、基板の音響インピーダンスの範囲をさらに絞る必要がある。
【００１８】
まず、ＰＺＴ層、基板、バッキング材の３種類の部材を接合した超音波トランスデューサアレイにおいて、基板の音響インピーダンスＺを変化させた場合の感度及び周波数帯域の変化をシミュレーションにより求めた。図２〜図５は、その結果を示す図である。図２は基板を用いない場合、即ち、ＰＺＴ層とバッキング材を直接接合した場合、図３はＺ＝８×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合、図４はＺ＝１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合、図５はＺ＝１２×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合をそれぞれ表している。ここで、このシミュレーションにおいては、基板の厚さを１ｍｍとし、送信される超音波の中心周波数を３．５ＭＨｚとした。図２〜図５において、実線は、感度（受信された超音波の検出信号の電圧／超音波を送信するための駆動信号の電圧）の時間変化を示し、破線は、周波数帯域の分布を示している。
【００１９】
図２〜図５に示すように、基板の音響インピーダンスを徐々に大きくしていくと、それに伴って超音波トランスデューサアレイの感度は低下し、周波数帯域に乱れが生じるようになる。特に、Ｚ＝１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃを越えると、その乱れが大きくなっている（図４及び図５参照）。これは、バッキング材の音響インピーダンスと基板の音響インピーダンスとの差が大きくなり、接合面において反射される超音波の成分が増えることが原因と考えられる。このことから、一般的に用いられるバッキング材（Ｚ＝４〜６×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ）に接合される基板としては、Ｚ＝１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ以下の材料を用いることが望ましいと言える。
【００２０】
本願発明者は、このような観点から鋭意検討を重ねた結果、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの基板材料として、ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、カット面：４５°Ｘ、弾性表面波（ＳＡＷ）特性伝搬方位：Ｚ方向）を用いることが適当であることを見出した。
【００２１】
表１は、本実施形態において用いられるホウ酸リチウムの音響特性、及び、比較のために示すシリコン（Ｓｉ）、石英（ＳｉＯ_２）、特殊用途用ステンレス鋼板（ｓｐｅｃｉａｌ　ｕｓｅ　ｓｔａｉｎｌｅｓｓ　ｓｔｅｅｌ：ＳＵＳ）の音響特性を示している。Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＳＵＳは、ＭＥＭＳ関連の機器において、成膜用基板として一般的に用いられている材料である。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１に示すように、成膜基板として一般的なＳｉ、ＳｉＯ_２、ＳＵＳは、先に述べた耐熱性や加工性等を有しているが、音響インピーダンスＺの値が大きいので、超音波を送受信する振動子を形成する基板としては適当ではない。これに対して、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７は、十分な耐熱性や加工性等を有していると共に、その音響インピーダンスはＺ＝８×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃと比較的小さいので、バッキング材と接合させても、音響的に不具合が生じるおそれは少ない。
【００２４】
次に、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。また、図７は、本実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための断面図である。
【００２５】
まず、ステップＳ１において、図７の（ａ）に示すように、基板１１上に、電極層１２を形成する。基板１１としては、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７（カット面：４５°Ｘ、ＳＡＷ特性伝搬方位：Ｚ方向）のように、絶縁性、耐熱性、加工性、及び、所定の音響特性を備えている材料を用いる。ここで、電極層１２は、ガスデポジション法又はスパッタリング若しくは真空蒸着法等により成膜することによって形成される。その際に、基板１１上に配置される複数の振動子がコモン電極に接続されるように、基板１１上において電極層１２を連続させても良い。ここで、電極層１２として、１種類の金属や合金を１層のみ形成しても用いし、複数種類の金属や合金を積層しても良い。
【００２６】
ステップＳ２において、電極層１２が形成された基板１１上に、圧電セラミックを含む粉体を原料としてガスデポジション法により成膜を行う。本実施形態においては、原料として、平均粒径０．３μｍのＰＺＴ単結晶粉体を用いている。これにより、図７の（ｂ）に示すように、圧電セラミック層１３が形成される。
【００２７】
ここで、図８は、ステップＳ２において用いられるガスデポジション法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体４１を配置するエアロゾル生成容器４２を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。エアロゾル生成容器４２には、キャリアガス導入部４３、エアロゾル導出部４４、振動部４５が設けられている。キャリアガス導入部４３から窒素ガス（Ｎ_２）等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器４２内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。この際に、振動部４５によってエアロゾル生成容器４２に振動を与えることにより、原料の粉体が撹拌され、効率良くエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部４４を通って、成膜チャンバ４６に導かれる。
【００２８】
成膜チャンバ４６には、排気管４７、ノズル４８、可動ステージ４９が設けられている。排気管４７は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ４６内を排気する。エアロゾル生成容器４２において生成され、エアロゾル導出部４４を通って成膜チャンバ４６に導かれたエアロゾルは、ノズル４８から基板１１に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が基板１１上に衝突して堆積する。基板１１は、３次元に移動可能な可動ステージ４９に戴置されており、可動ステージ４９を制御することにより、基板１１とノズル４８との相対的位置が調節される。
【００２９】
ステップＳ３において、圧電セラミック層１３を、切断された素子がマトリクス配置となるように、例えば、０．３ｍｍピッチのダイサーで切断する。これにより、図７の（ｃ）に示すように、圧電素子１３ａ、１３ｂ、…が作製される。次に、ステップＳ４において、圧電素子１３ａ、１３ｂ、…を含む基板１１を９００℃でアニールする。
【００３０】
ステップＳ５において、所定の電極パターンが形成されたマスクを用い、ガスデポジション法又はスパッタリング若しくは真空蒸着法等により電極層を形成する。ここでも、ステップＳ１と同様に、１種類の金属や合金を１層のみ形成しても用いし、複数種類の金属や合金を積層しても良い。これにより、図７の（ｄ）に示すように、それぞれの圧電素子１３ａ、１３ｂ、…に電極１４が形成される。
これにより、複数の振動子が２次元に配列された超音波トランスデューサアレイが作製される。なお、ステップＳ５における電極層の形成を先に行ってから、ステップＳ４におけるアニールを行っても良い。
【００３１】
さらに、図７の（ｅ）に示すように、超音波トランスデューサアレイにバッキング材１６や音響整合層１７を接合し、それぞれの電極に配線することによって、超音波用探触子が作製される。
【００３２】
ここで、本実施形態においては、基板１１上に連続するように圧電セラミック層１３を成膜し、それを切断することによってマトリクス状に配置された振動子を作製したが、成膜によって振動子を作製する方法はこれに限定されない。例えば、図８に示す成膜装置において、ノズルや可動ステージの位置を制御しながら、原料の粉体がマトリクス状に堆積するように成膜を行っても良い。或いは、予めマトリクス状に開口されたマスクを基板１１に形成し、その開口に原料の粉体が堆積するように成膜を行っても良い。これらの場合には、圧電セラミック層の成膜と電極層の成膜とを交互に複数回ずつ行うことにより、図１に示すような積層構造を有する振動子を作製することも可能である。
【００３３】
また、本実施形態においては、超音波トランスデューサアレイの基板に適当な材料としてＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７を挙げたが、その他にも、同程度の絶縁性、耐熱性、加工性、及び、音響特性を有している材料であれば、本実施形態におけるものと同様に使用することができる。このような材料として、例えば、マシナブルセラミックス、即ち、機械加工性を有するセラミックスが挙げられる。
【００３４】
なお、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７基板と電極層との装着性を高くするためには、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７基板の表面を粗くすることにより、基板の表面積を大きくしてアンカー的機能を付加すれば良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数の振動子を配置する基板として、絶縁性を有すると共に、ガスデポジション法による成膜やアニール等の製造工程にも耐え得る耐熱性や加工性を備えた材料を用いるので、多数の微細な振動子が２次元に配置された超音波トランスデューサアレイを容易に作製することができる。また、そのような基板として、背面に配置されるバッキング材との音響特性の関係を考慮した材料を用いることにより、作製された超音波トランスデューサアレイにおいて、部材間における音響的な不具合が生じ難くなる。従って、そのような超音波トランスデューサアレイを用いて、性能の良い２次元超音波用探触子を低コストで作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す断面図である。
【図２】基板を用いない場合における超音波トランスデューサアレイの感度及び周波数帯域の変化を示す図である。
【図３】基板の音響インピーダンスがＺ＝８．００２×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合における超音波トランスデューサアレイの感度及び周波数帯域の変化を示す図である。
【図４】基板の音響インピーダンスがＺ＝１０．００２×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合における超音波トランスデューサアレイの感度及び周波数帯域の変化を示す図である。
【図５】基板の音響インピーダンスがＺ＝１２．００２×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃの場合における超音波トランスデューサアレイの感度及び周波数帯域の変化を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイの製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを製造する際に使用されるガスデポジション法による成膜装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１　超音波トランスデューサアレイ
２、１６　バッキング材
３、１７　音響整合層
４、１１　基板
５　振動子
６、１３ａ、１３ｂ、…　圧電素子
７、８　電極
１２、１４　電極層
１３　圧電セラミック層
４１　原料の粉体
４２　エアロゾル生成容器
４３　キャリアガス導入部
４４　エアロゾル導出部４４
４５　振動台
４６　成膜チャンバ
４７　排気管
４８　ノズル
４９　可動ステージ

Claims

所定の音響特性を有する基板と、
前記基板の１つの面上に形成された第１の電極と、
前記第１の電極が形成された前記基板の面に圧電セラミックを含む原料の粉体を噴射して堆積させることにより形成された圧電セラミック層を含み、２次元状に配置された複数の圧電素子と、
前記複数の圧電素子にそれぞれ接続された複数の第２の電極と、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
前記基板の音響インピーダンスが、１０×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ以下である、請求項１記載の超音波トランスデューサアレイ。
前記基板が、ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）を含む、請求項１又は２記載の超音波トランスデューサアレイ。
前記基板の第２の面に接合され、音響インピーダンスが７×１０^６ｋｇ／ｍ^２・ｓｅｃ以下であるバッキング材をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波トランスデューサアレイ。
所定の音響特性を有する基板の１つの面上に第１の電極を形成する工程と、
圧電セラミックを含む原料の粉体をガスにより噴き上げることによってエアロゾルを生成する工程と、
前記第１の電極が形成された前記基板の面にエアロゾルを噴射して原料の粉体を堆積させることにより、圧電セラミック層を形成する工程と、
前記圧電セラミック層を分割することにより、２次元状に配置された複数の圧電素子を形成する工程と、
前記複数の圧電素子に複数の第２の電極をそれぞれ接続する工程と、
を具備する超音波トランスデューサアレイの製造方法。