JP2009182838A - Elastic wave transducer, elastic wave transducer array, ultrasonic probe, and ultrasonic imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、弾性波の送受信を行なうトランスデューサに関し、特にメンブレン構造を有するトランスデューサに関する。 The present invention relates to a transducer that transmits and receives elastic waves, and more particularly to a transducer having a membrane structure.
弾性波の送受信を行なうトランスデューサとしては、超音波の送受信を行なうものが存在する。超音波の送受信を行なうトランスデューサとしては圧電素子を用いるものが一般的である。また一方では、メンブレン(振動膜ともいう)構造の振動によって超音波の送受信を行なうトランスデューサであるCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)やPMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)が注
目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。
Some transducers that transmit and receive elastic waves transmit and receive ultrasonic waves. A transducer that uses a piezoelectric element is generally used as a transducer for transmitting and receiving ultrasonic waves. On the other hand, CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) and PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer), which are transducers that transmit and receive ultrasonic waves by vibration of a membrane (also referred to as a vibrating membrane) structure, are attracting attention. These transducers are formed by using a semiconductor manufacturing technique, and have advantages such as the possibility of increasing the number of arrays and the ease of integration with circuits.
ここで、一般的なCMUTの動作について説明を行なう。CMUTは下部電極を有する基板とそれに対向する上部電極を有するメンブレン構造から形成されており、メンブレンと基板とに電位差を生じることが可能な構成となっている。このメンブレンと基板とに直流的な電位差(DCバイアス)を与えると、メンブレンが静電引力によって基板に引き付けられる。この状態において、さらに交流的な電位差を加えることでメンブレンが振動し、超音波を発生することができる。また、超音波がCMUTに入射した場合には、基板とメンブレンとの間で生じる容量変化を測定することで、超音波を検出することができる。 Here, the operation of a general CMUT will be described. The CMUT is formed of a membrane structure having a substrate having a lower electrode and an upper electrode facing the substrate, and has a configuration capable of generating a potential difference between the membrane and the substrate. When a DC potential difference (DC bias) is applied between the membrane and the substrate, the membrane is attracted to the substrate by electrostatic attraction. In this state, when an alternating potential difference is further applied, the membrane vibrates and ultrasonic waves can be generated. In addition, when ultrasonic waves are incident on the CMUT, the ultrasonic waves can be detected by measuring a change in capacitance generated between the substrate and the membrane.
このように、CMUTにおいてはメンブレンと基板の構造は重要であり、その部分に対する工夫が行なわれている。特許文献1では、CMUTの非線形性を考慮した駆動波形を入力する手法と共に、基板部分に隆起した領域を形成することによる電荷分布の制御が開示されている。また、特許文献2では、メンブレンの周辺部分を変形しやすくすることで、素子の中央部分で電束が電極に垂直になるメンブレン構造が開示されている。
ここで、CMUTの性能として「受信感度」と「共振周波数」を考える。受信感度は、CMUTが容量の検出を行なうトランスデューサであることから、
(超音波入力による容量の変化)/(DCバイアスによる電荷量)=ΔC/C・Vdc
と定義する。また、共振周波数はあるレベル以上の値、例えば3MHzから10MHz以上であることが必要となる。
Here, “reception sensitivity” and “resonance frequency” are considered as the performance of the CMUT. Since the reception sensitivity is a transducer that detects the capacity of the CMUT,
(Change in capacitance due to ultrasonic input) / (charge amount due to DC bias) = ΔC / C · Vdc
It is defined as Further, the resonance frequency needs to be a value above a certain level, for example, 3 MHz to 10 MHz or more.
受信感度を向上させる有効な方法として、以下の2つの方法が挙げられる。第1の方法は、基板とメンブレンとの間の距離(基板に設けた電極とメンブレンに設けた電極との距離)を小さくすることによって、基板とメンブレンとの間で形成される静電容量を大きくする方法である。当該静電容量を大きくすることによってメンブレンが変位した際の容量変化ΔCが大きくなるため、より大きな電気信号を得ることができる。第2の方法は、超音波入力(メンブレンへの圧力)に対するメンブレンの変位を大きくすることによって、容量の変化ΔCを大きくする方法である。メンブレンが質量と復元力を有するバネマス系だと仮定すると、圧力に対して大きく変位することは、復元力つまりバネ係数が小さいことと同義となる。 The following two methods can be cited as effective methods for improving the reception sensitivity. The first method is to reduce the capacitance formed between the substrate and the membrane by reducing the distance between the substrate and the membrane (the distance between the electrode provided on the substrate and the electrode provided on the membrane). It is a way to enlarge. Since the capacitance change ΔC when the membrane is displaced is increased by increasing the capacitance, a larger electrical signal can be obtained. The second method is a method of increasing the capacitance change ΔC by increasing the displacement of the membrane with respect to ultrasonic input (pressure to the membrane). Assuming that the membrane is a spring mass system having mass and restoring force, a large displacement with respect to pressure is synonymous with a restoring force, that is, a spring coefficient is small.
上記の関係を周囲が固定された円形のメンブレンを例として説明する。メンブレンの厚みをh、半径をa、ヤング率をE、メンブレンへの平均荷重をp、とするとメンブレンの中央部で生じる最大たわみwは、式1で表される。(参考:日本機械学会 機械工学便覧
A4 材料力学)
近似的にこのメンブレンをたわみwと外力pπa2によって変形するバネだと考えると、バネ係数kは式2で表される。
また、メンブレンの質量mは、密度をρとすると式3で表される。
メンブレンを単純なバネマス系だと考えると、その共振周波数fは式4で表される。
ここで、先ほどの感度と共振周波数の議論に立ち戻る。高い感度であることは、バネ係数kが小さいことである。バネ係数kを小さくするには、式2を参照すると、メンブレンの厚みhが薄く、メンブレンの半径aが大きいのが望ましい。一方で、共振周波数を向上させるには、式4を参照すると、メンブレンの厚みhが厚く、メンブレンの半径aが小さいのが望ましい。つまり、あるレベル以上の共振周波数を保持することと、感度を上げることとは、メンブレンの厚みhならびにメンブレンの半径aについて逆の方向性を要求していることになる。 Here, we return to the discussion on sensitivity and resonance frequency. High sensitivity means that the spring coefficient k is small. In order to reduce the spring coefficient k, referring to Equation 2, it is desirable that the membrane thickness h is small and the membrane radius a is large. On the other hand, in order to improve the resonance frequency, referring to Equation 4, it is desirable that the membrane thickness h is thick and the membrane radius a is small. In other words, maintaining a resonance frequency above a certain level and increasing the sensitivity require reverse directions for the membrane thickness h and the membrane radius a.
そのため、平板などの形状を有するメンブレンにおいて半径の大きさや厚みを変化させることで、「あるレベル以上の共振周波数を保持する」・「感度を上げる」という二つの方向性を同時に満足するのは容易ではなく、限界が存在した。 Therefore, it is easy to satisfy the two directions of "holding the resonance frequency above a certain level" and "increase the sensitivity" at the same time by changing the radius size and thickness in the membrane having a flat plate shape. Rather, there was a limit.
このように従来は、十分な受信感度を有するCMUTが開発されていない。 Thus, conventionally, a CMUT having sufficient reception sensitivity has not been developed.
そこで本発明の目的は、メンブレン構造を有する弾性波トランスデューサにおいて、共振周波数を保持したままで受信感度を向上させることができる技術を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique capable of improving reception sensitivity while maintaining a resonance frequency in an elastic wave transducer having a membrane structure.
また本発明のさらなる目的は、あるレベル以上の共振周波数を有し、かつ、高い受信感度を有する高性能な弾性波トランスデューサ、並びに、弾性波トランスデューサアレイ、超音波探触子、超音波撮像装置を提供することである。 A further object of the present invention is to provide a high-performance elastic wave transducer having a resonance frequency of a certain level and high reception sensitivity, an elastic wave transducer array, an ultrasonic probe, and an ultrasonic imaging apparatus. Is to provide.
本発明の第1態様に係る弾性波トランスデューサは、
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第1領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第2領域とからなり、
前記メンブレンの第2領域は、該第2領域のかさ密度が前記メンブレンの第1領域からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有することを特徴とする。
The elastic wave transducer according to the first aspect of the present invention includes:
A substrate having a lower electrode;
A support formed on the substrate;
A membrane held by the support and having an upper electrode;
An acoustic wave transducer comprising:
The membrane comprises a first region that is in contact with the support and a second region that is not in contact with the support and is deformed by receiving an elastic wave,
The second region of the membrane has a region in which the bulk density of the second region decreases as the distance from the first region of the membrane increases.
本発明の第2態様に係る弾性波トランスデューサは、
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第1領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第2領域とからなり、
前記メンブレンの少なくとも第2領域におけるかさ密度比が、0.1以上0.5以下であることを特徴とする。
The elastic wave transducer according to the second aspect of the present invention is
A substrate having a lower electrode;
A support formed on the substrate;
A membrane held by the support and having an upper electrode;
An acoustic wave transducer comprising:
The membrane comprises a first region that is in contact with the support and a second region that is not in contact with the support and is deformed by receiving an elastic wave,
The bulk density ratio in at least the second region of the membrane is 0.1 or more and 0.5 or less.
本発明の第3態様に係る弾性波トランスデューサアレイは、上記構成の弾性波トランスデューサが複数アレイ状に配置されていることを特徴とする。 An elastic wave transducer array according to a third aspect of the present invention is characterized in that a plurality of elastic wave transducers having the above-described configuration are arranged in an array.
本発明の第4態様に係る超音波探触子は、上記構成の弾性波トランスデューサアレイを備えることを特徴とする。 An ultrasonic probe according to a fourth aspect of the present invention includes the acoustic wave transducer array having the above-described configuration.
本発明の第5態様に係る超音波撮像装置は、上記構成の超音波探触子を備えることを特徴とする。 An ultrasonic imaging apparatus according to a fifth aspect of the present invention includes the ultrasonic probe having the above-described configuration.
本発明によれば、メンブレン構造を有する弾性波トランスデューサにおいて、共振周波数を保持したままで受信感度を向上させることができる。そして、あるレベル以上の共振周波数を有し、かつ、高い受信感度を有する高性能な弾性波トランスデューサ、並びに、弾性波トランスデューサアレイ、超音波探触子、超音波撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, in an acoustic wave transducer having a membrane structure, it is possible to improve reception sensitivity while maintaining a resonance frequency. Further, it is possible to provide a high-performance elastic wave transducer having a resonance frequency higher than a certain level and having high reception sensitivity, an elastic wave transducer array, an ultrasonic probe, and an ultrasonic imaging apparatus.
本発明の弾性波トランスデューサの一例として、以下の実施形態では超音波のトランスデューサの例を示す。本発明に係る弾性波トランスデューサを複数アレイ状に配置することにより、弾性波トランスデューサアレイを構成することができる。このような弾性波トランスデューサアレイは、たとえば、超音波撮像装置(超音波診断装置)における超音波
探触子(プローブ)に好ましく適用可能である。ただし、本発明は超音波に限らず他の弾性波のトランスデューサにも適用可能である。
As an example of the acoustic wave transducer of the present invention, an ultrasonic transducer is shown in the following embodiments. An acoustic wave transducer array can be configured by arranging a plurality of acoustic wave transducers according to the present invention in an array. Such an acoustic wave transducer array can be preferably applied to, for example, an ultrasonic probe (probe) in an ultrasonic imaging apparatus (ultrasound diagnostic apparatus). However, the present invention can be applied not only to ultrasonic waves but also to other elastic wave transducers.
前記したように、これまでのCMUTにおいては、「あるレベル以上の共振周波数を保持する」・「感度を上げる」という二つの方向性を同時に満足するのは容易ではなく、限界が存在した。 As described above, in conventional CMUTs, it is not easy to satisfy the two directions of “holding a resonance frequency higher than a certain level” and “increase sensitivity” at the same time, and there is a limit.
そこで発明者らは、この限界を打破すべく、前記式4に含まれているメンブレンの密度ρに注目した。メンブレンの密度ρを下げることで、共振周波数fを上げることができるため、その上がった共振周波数の分を感度を上げることに振り分けることが可能となる。具体的には密度ρが下がった分、半径aを大きく、厚みhを薄くすることが可能となる。 Therefore, the inventors paid attention to the density ρ of the membrane included in Equation 4 in order to overcome this limitation. Since the resonance frequency f can be increased by lowering the density ρ of the membrane, it is possible to distribute the increased resonance frequency to increase the sensitivity. Specifically, the radius a can be increased and the thickness h can be decreased as the density ρ decreases.
さらに発明者らは、メンブレンの材料を変更することで本質的に密度を下げるのではなく、「かさ密度」を下げることによっても同様の効果が得られることを発見した。なお、かさ密度は、「空隙部分も含めた体積」と「質量」から算出される密度であり、粉体の密度の定義などに用いられる表現である。すなわち、本明細書において「かさ密度」とは、メンブレンの表面に開口(凹部)が設けられていたり、メンブレン内部に閉じた空間(穴・孔)が設けられていたとしても、それらの空間も含めた体積で、当該部分の質量を除した値である。 Furthermore, the inventors have discovered that a similar effect can be obtained by lowering the “bulk density” rather than essentially reducing the density by changing the material of the membrane. The bulk density is a density calculated from “volume including voids” and “mass”, and is an expression used to define the density of powder. That is, in this specification, “bulk density” means that even if an opening (concave portion) is provided on the surface of the membrane or a closed space (hole / hole) is provided inside the membrane, the space is also It is a value obtained by dividing the mass of the part by the volume included.
<実施例1>
以下、本発明の実施例1に係るトランスデューサについて説明する。実施例1では、メンブレンの表面に開口(凹部)を形成することで、共振周波数を保持したまま感度の向上を図っている。
<Example 1>
Hereinafter, a transducer according to Example 1 of the invention will be described. In Example 1, an opening (concave portion) is formed on the surface of the membrane to improve sensitivity while maintaining the resonance frequency.
(トランスデューサの構成)
まず、図1と図2を用いて本実施例のトランスデューサの形状を説明する。図1は本実施例のトランスデューサの断面図、図2は本実施例のトランスデューサの平面図である。なお、図1は図2のA−A’の線における断面図を表している。
(Configuration of transducer)
First, the shape of the transducer of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of the transducer of this embodiment, and FIG. 2 is a plan view of the transducer of this embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
本実施例のトランスデューサは基板101と支持体102とメンブレン103とから構成されている。支持体102は基板101の上に環状に形成されており、略円盤形状のメンブレン103の周辺部を支持している。典型的には、基板101にはシリコン(製造過程で一部は酸化している(図1斜線部))が用いられる。また、支持体102には酸化シリコンが用いられ、メンブレン103にはシリコン薄膜あるいは窒化シリコン薄膜が用いられる。
The transducer of this embodiment is composed of a
図1に示すように、メンブレン103は、支持体102と接触している第1領域105と、支持体102と接触しておらず弾性波(超音波)を受けることによりU字型に変形する第2領域106と、を備えている。本実施例では、メンブレン103の中央部に第2領域106が形成され、第2領域106の周囲(メンブレン103の周辺部)に第1領域105が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
メンブレン103の第2領域106は第1領域105よりも厚くなっており、その第2領域106の表面(基板101とは反対側の面)に、メンブレン103を貫通しない開口(凹部)104が複数形成されている。この開口104はメンブレン103のかさ密度を小さくするための構造である。かかる構造により、超音波を受けて振動する部分である第2領域106の厚みを確保できるため、所望の共振周波数を維持することができる。そして、開口104を設けて第2領域106を軽くしたことで、受信感度の向上が期待できる。なおここでは、メンブレン103の上面を界面と定義して、かさ密度を計算している。
The
ここで、図1に示すように、メンブレン103の第2領域106が基板側に段差を持っており、第2領域の少なくとも一部の厚みが第1領域105よりも厚くなっていることが好ましい形態である。特に、第2領域106の中央部で厚くなっていることが好ましい。これにより、上部電極と下部電極との間の距離を小さくすることができ、上部電極と下部電極とで形成される静電容量を大きくすることができる。その結果、一定圧力の入力に対して大きな容量変化を得ることができるからである。つまり、より高感度となる。また、厚くなっている部分ではメンブレンが基板に平行な平行平板に近い状態で振動できるため、容量変化の非線形性を低くすることができる。
Here, as shown in FIG. 1, it is preferable that the
ここでもし、メンブレンを厚くしたのみで開口を設けない場合、メンブレンの質量mが大きくなる分、共振周波数fが小さくなってしまう。本発明においては、開口104を設けるなどによりメンブレンのかさ密度ρを小さくしており、このかさ密度の低下は共振周波数を上げる方向に作用する。つまり、共振周波数を維持したまま、感度を向上させることができるのである。
Here, if the membrane is only thickened and no opening is provided, the resonance frequency f becomes smaller as the mass m of the membrane increases. In the present invention, the bulk density ρ of the membrane is reduced by providing the
一方、単純にメンブレンのかさ密度ρを小さくするとメンブレンの剛性が低下し、メンブレンのばね定数が小さくなる(ヤング率が小さくなる)ことで共振周波数が低下する可能性がある。しかし本発明の構成においては、メンブレンの厚さを厚く設計することで、かさ密度ρが小さくても一定の剛性を保つことができるため、共振周波数の低下を効率的に抑制することができる。 On the other hand, when the bulk density ρ of the membrane is simply reduced, the stiffness of the membrane is lowered, and the spring constant of the membrane is reduced (Young's modulus is reduced), which may reduce the resonance frequency. However, in the configuration of the present invention, by designing the membrane to be thick, it is possible to maintain a certain rigidity even if the bulk density ρ is small, and therefore it is possible to efficiently suppress a decrease in the resonance frequency.
なお、基板101、支持体102、及びメンブレン103で囲まれた空間(キャビティ)を真空に保つ場合には、開口104がメンブレンを貫通しないことが好ましい。しかし、真空に保つ必要がない場合には、メンブレン103に貫通孔を設けることができる。例えば、メンブレン自体をポーラスな材料で形成しても良い。この場合、メンブレン103内には閉空間(クローズドポア)や、キャビティと外気が連通するような開空間が形成されうる。
Note that when the space (cavity) surrounded by the
さらに本実施例では、好ましい形態として、図2に示したように、開口の大きさと単位面積あたりの数が変化するように開口104を形成し、メンブレン103の中心に近づくほどかさ密度を小さくしている。つまり、第1領域105からの距離が大きくなるほど、メンブレン103の第2領域106のかさ密度が小さくなるように設計されている。この構成により、より受信感度を向上させることができる。これは、メンブレン103の第1領域105からの距離が大きくなる、つまり、メンブレン103の中心になるにつれて、超音波を受信したときの変位量が大きくなるためである。変位量が大きい部分をより軽くすることで、単にメンブレンに開口を設けるだけの場合よりも、感度を向上させることができるのである。
Furthermore, in this embodiment, as a preferred embodiment, as shown in FIG. 2, the
開口の設け方としては、図2に示したように、第2領域106の中央部ほど一つの開口の面積を大きくし、梁(開口と開口の間の壁)の方向が円の半径方向と一致するようにすることがメンブレンの強度(剛性)の観点から好ましい。このようにメンブレンに開口を空けることで、全体のメンブレンの質量を軽くしても、メンブレンの剛性を所定のレベルに維持できる。
As shown in FIG. 2, the opening is formed by increasing the area of one opening toward the center of the
ここで、メンブレン103の第2領域106のある点Pにおける「第1領域105からの距離L」は、図2に示すように定義される。すなわち、トランスデューサ素子を上から見たメンブレン表面において、第1領域105と第2領域106の境界107から点Pまでの直線距離のうち最短のものが「第1領域105からの距離L」である。図2のように第2領域106が円形のメンブレンの場合は、円の中心から点Pを通る半径から距離Lを
把握できる。
Here, “a distance L from the
本実施形態では、メンブレン103の第2領域106においては、第1領域105からの距離が大きくなるに従って連続的または段階的にかさ密度が小さくなっている。しかし、本発明においては、このような領域が第2領域106の一部に含まれていればよい。例えば、中央部に近づく過程で途中まではかさ密度が減少するが、途中でかさ密度の変化がなくなり、一定となるように設計しても良い。すなわち、第2領域106は、かさ密度がメンブレンの第1領域105からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有していればよい。
In the present embodiment, in the
なお、開口104の側壁は図中ではメンブレンの厚み方向に平行であるが、丸みを帯びた側壁でも凹凸を有する側壁であっても良い。開口104の底面はメンブレン表面と平行でなくても構わない。また、開口の形状は本実施例のような形に限定するものではなく、円形であっても多角形であっても構わない。また、開口の数や配置もどのように設定してもよい。
Note that the side wall of the
(トランスデューサの動作)
次にトランスデューサの動作を説明する。基板101は図示しない下部電極を有する低抵抗の基板であり、電気的に接地されている。下部電極としては、リンやホウ素などをドープし低抵抗になったシリコン基板そのものや、Al,Auなどの導電体が用いられる。ここで、メンブレン103の上に形成されている図示しない上部電極に直流的な電圧を印加すると、静電引力によりメンブレン103が基板101側に変形する。メンブレン103は、静電引力と復元力とのつりあいの位置でとまる。この状態で交流的な電圧を電極へ印加すると、メンブレン103がつりあいの位置を中心に振動し、超音波を発生する。また、つりあいの位置にあるメンブレン103に対して超音波が入力されると、メンブレン103が振動し基板101とメンブレン103との間の容量が変化する。この変化を測定することで超音波が検出できる。なお、上部電極は、メンブレン103の基板102側の面またはその反対側の面に形成されている。上部電極としては、Al,Auなどの導電体が用いられる。
(Transducer operation)
Next, the operation of the transducer will be described. The
次に共振周波数と感度の関係を寸法の実例を用いて説明する。例えば、メンブレン103の材料として窒化シリコンを用い、メンブレン103の第2領域106のサイズを直径40μmに設定する。印加電圧は、メンブレン103が基板101に衝突する電圧の80%の値に設定する。その印加電圧をかけた時のギャップが0.12μmとなるように初期のギャップを設定する。メンブレン厚に関しては共振周波数5MHzを満足する厚みを設定する。この場合、メンブレン103の第2領域106に複数の開口104を設け、かさ密度比を0.467とする。本明細書において、「メンブレンのかさ密度比」とは、メンブレン103のかさ密度を当該メンブレン103の理論密度で割った値である。なお「理論密度」とは、メンブレン103の真の体積(開口を除いた体積)で質量を除した値である。
Next, the relationship between the resonance frequency and the sensitivity will be described using actual dimensions. For example, silicon nitride is used as the material of the
上記条件において、本実施例の形状を有するメンブレンと開口のない平板形状のメンブレンとの感度を比較する。ここでは、メンブレンに上記の電圧がかかっている状態での電荷量に対する、1kPaの圧力がメンブレン全体にかかった場合の容量変化ΔCの大きさ(単位:1/V)を、感度の定義として用いる。窒化シリコンのヤング率は320GPa、密度3.27g/cm3、ポアソン比は0.263とする。上記の数値を用いて感度を算出すると、本実施例の形状を有するメンブレンでは感度が1.06e−3、平板形状のメンブレンでは感度が4.00e−4となる。本実施例の形状のメンブレンを用いることで、約2.5倍、感度が向上する。 Under the above conditions, the sensitivity of the membrane having the shape of the present embodiment and the flat membrane having no opening are compared. Here, the magnitude (unit: 1 / V) of the capacitance change ΔC when the pressure of 1 kPa is applied to the entire membrane with respect to the charge amount in the state where the above voltage is applied to the membrane is used as the definition of sensitivity. . The Young's modulus of silicon nitride is 320 GPa, the density is 3.27 g / cm 3 , and the Poisson's ratio is 0.263. When the sensitivity is calculated using the above numerical values, the sensitivity of the membrane having the shape of this embodiment is 1.06e −3 , and the sensitivity of the flat membrane is 4.00e −4 . By using the membrane having the shape of this embodiment, the sensitivity is improved by about 2.5 times.
もう一つ具体例を挙げる。メンブレン103の材料として窒化シリコンを用い、第2領域106のサイズを直径40μmに設定する。印加電圧は、メンブレン103が基板101に衝突する電圧の80%の値に設定する。その印加電圧をかけた時のギャップが0.12μmとなるように初期のギャップを設定する。メンブレン厚に関しては共振周波数5MHzを満足する厚みを設定する。この例では、メンブレン103のかさ密度比を0.1に設定する。
Here is another example. Silicon nitride is used as the material of the
上記条件において、本実施例の形状を有するメンブレンと開口のない平板形状のメンブレンとの感度を比較する。上記の数値を用いて感度を算出すると、本実施例の形状を有するメンブレンでは感度が2.25e−2となり、平板形状のメンブレンと比較して約56倍、感度が向上する。 Under the above conditions, the sensitivity of the membrane having the shape of the present embodiment and the flat membrane having no opening are compared. When the sensitivity is calculated using the above numerical values, the sensitivity of the membrane having the shape of this example is 2.25e- 2 , which is about 56 times that of the flat membrane.
メンブレンのかさ密度比を0.1より小さくすると、メンブレンの強度が弱くなり、超音波のトランスデューサとしては使用が困難となる。逆に、メンブレンのかさ密度比を0.5より大きくすると、所望の感度が得られず超音波診断装置に適用することが困難となる。従ってメンブレンのかさ密度比の好ましい範囲は、0.1以上0.5以下である。 If the bulk density ratio of the membrane is smaller than 0.1, the strength of the membrane is weakened and it becomes difficult to use it as an ultrasonic transducer. Conversely, if the bulk density ratio of the membrane is greater than 0.5, the desired sensitivity cannot be obtained, making it difficult to apply the ultrasonic diagnostic apparatus. Therefore, the preferred range of the bulk density ratio of the membrane is 0.1 or more and 0.5 or less.
本実施例では、円形のメンブレンについて述べたが、正方形や長方形を含む多角形でも同様の効果が得られる。またメンブレン中央部の厚みが周辺部と比較して厚い場合を説明したが、メンブレンの厚みが一定の場合でも同様の効果が得られる。 In the present embodiment, the circular membrane has been described, but the same effect can be obtained with a polygon including a square or a rectangle. Moreover, although the case where the thickness of the center part of the membrane is thicker than the peripheral part has been described, the same effect can be obtained even when the thickness of the membrane is constant.
(トランスデューサの製造プロセス例1)
図3A〜図3Iを参照して、本実施例のトランスデューサの製造プロセスを説明する。
(Transducer manufacturing process example 1)
A manufacturing process of the transducer of this embodiment will be described with reference to FIGS.
拡散炉にシリコン基板210を設置しPH3ガス(10%水素希釈)を導入して1050℃でリンを熱拡散させて、シリコン基板210の表面に低抵抗化層211を形成する(図3A)。その上にLPCVDで窒化シリコン層212を形成する(図3B)。窒化シリコン層212の形成には、SiH4ガスとNH3ガスとを1対1のモル比で混合したガスを用いる。700〜800℃に加熱した雰囲気中にシリコン基板210を設置し、該混合ガスを導入し、窒化シリコン層212を約50nm形成する。
A
次に、窒化シリコン層212の上にRFプラズマCVD法でアモルファスシリコン層213を成膜する(図3C)。基板温度350℃で、SiH4ガスをH2ガスで10%に希釈してプラズマCVD装置に導入して、アモルファスシリコン層213を成膜する。レジストと所定のマスクを使い、アモルファスシリコン層213の一部分214をSF6ガスでエッチングし、除去する。そのときアモルファスシリコン層の層厚は0.12μmとなるようにする(図3D)。更にエッチングによりアモルファスシリコン層213にメンブレンの側壁用開口215が形成される(図3E)。
Next, an
続いてアモルファスシリコン層上にメンブレンとなる窒化シリコン層216を形成する(図3F)。窒化シリコン層216は、LPCVD法で形成する。窒化シリコン層216の形成にはSiH4ガスとNH3ガスとを1対1のモル比で混合したガスを用いる。700〜800℃に加熱した雰囲気中に図3Eのシリコン基板を設置し、該混合ガスを導入して、約1.15μmの窒化シリコン層216を形成する。アモルファスシリコン層をエッチングするためのエッチング用開口217を形成する。エッチング用開口217は、所望の形状のマスクを用いて、CF4ガスで窒化シリコン層216をエッチングして形成する(図3G)。図3Gの基板を10%に希釈したKOH水溶液に浸漬し、アモルファスシリコン層218を除去し、空間220を形成する。その後、開口217に窒化シリコン層を成膜し、エッチング用開口を閉じる(図3H)。
Subsequently, a
メンブレンとして働く窒化シリコン層219のかさ密度を制御するために、窒化シリコン層219の一部分(中央部分)を図1、図2に示すマスクパターンで、CF4ガスを用いてエッチングして開口221を形成する(図3I)。このようにしてメンブレンのかさ密度比を0.467となるように制御する。メンブレン上にAl電極を蒸着して上部電極とする。
In order to control the bulk density of the
なお、図3Fの工程において、窒化シリコン層216の厚みを約0.5μmに制御すれば、かさ密度比0.1のメンブレンを作製することができる。
In the step of FIG. 3F, if the thickness of the
(トランスデューサの製造プロセス例2)
次に、図4A〜図4Fを参照して、メンブレンにシリコンを用いたトランスデューサを作るためのプロセスを説明する。
(Transducer manufacturing process example 2)
Next, with reference to FIGS. 4A to 4F, a process for manufacturing a transducer using silicon as a membrane will be described.
低抵抗基板301を準備する(図4A)。低抵抗基板301に開口302をドライエッチングで形成する(図4B)。熱酸化によって酸化シリコン層303を形成する(図4C)。他に準備したSOI(Silicon On Insulator)基板304を接合する。SOI基板304のデバイス層には凸部305をあらかじめエッチングによって形成しておく(図4D)。SOI基板304のハンドリング層とBOX層を除去する(図4E)。表面から開口306を形成し、その表面に図示しない電極を形成する(図4F)。このようにして本実施例のトランスデューサを得ることができる。
A
なお、本プロセス例では絶縁層として熱酸化による酸化シリコンを用いたが、CVDやスパッタなどその他の形成手法を使用してもよく、材料として窒化シリコンを用い、さらにその形成手法としてCVDその他の成膜手法を採用しても構わない。また、凸部305を形成する際にはエッチングだけでなく、エピタキシャル成長を含むその他の成膜手法を用いても構わない。また、ハンドリング層やBOX層の除去には、ドライエッチング、ウェットエッチング、研磨を含む機械加工のいずれかを用いてもよいし、あるいはそれらを組み合わせてもよい。また、開口306の形成においても、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれも利用可能である。
In this process example, silicon oxide by thermal oxidation is used as the insulating layer. However, other formation methods such as CVD and sputtering may be used. Silicon nitride is used as the material, and CVD and other components are used as the formation method. A membrane technique may be employed. Moreover, when forming the
<実施例2>
図5を参照して、本発明の実施例2に係るトランスデューサを説明する。実施例2のトランスデューサは、深さの異なる複数の開口を有している。
<Example 2>
A transducer according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIG. The transducer of the second embodiment has a plurality of openings with different depths.
本実施例のトランスデューサは、図5に示す断面構造を有しており、基板401、支持体402、およびメンブレン403から構成されている。基板401には不図示の下部電極が形成され、メンブレン403には不図示の上部電極が形成されている。
The transducer of this embodiment has a cross-sectional structure shown in FIG. 5 and is composed of a
メンブレン403の振動部分(第2領域)には開口404が複数形成されている。メンブレン403の中心では開口404の深さが深く、メンブレン403の周辺部(第1領域)に近づくほど開口404の深さが浅い。このような開口404を設けることで、メンブレン403の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど(周辺部からの距離が大きいほど)小さくすることができる。このような構成のメンブレンによって、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。なお、開口の形は本実施例に示したものに限るのではなく、その底面がメンブレンに平行であっても無くても構わず、さらには丸みを帯びた底面や側壁であっても構わない。また開口の数や配置についても適宜変更可能である。
A plurality of
次に図6A〜図6Fを用いて本実施例のトランスデューサを作るためのプロセスを説明する。 Next, a process for manufacturing the transducer of this embodiment will be described with reference to FIGS. 6A to 6F.
低抵抗基板501を準備する(図6A)。低抵抗基板501に開口502をドライエッチングで形成する(図6B)。熱酸化によって酸化シリコン層503を形成する(図6C)。他に準備したSOI基板504を接合する(図6D)。SOI基板504のハンドリング層を除去した後、BOX層505をパターニングする。その上に露光量を変化させることで厚みを異ならせたレジスト層506を形成する(図6E)。このレジスト層506も含めてエッチングすることで、メンブレンの表面に深さの異なる複数の開口507を形成する。その後メンブレンの表面に図示しない電極を形成する(図6F)。このようにして本実施例のトランスデューサを得ることができる。
A
なお、本プロセス例では絶縁層として熱酸化による酸化シリコンを用いたが、CVDやスパッタなどその他の形成手法を使用してもよく、材料として窒化シリコンを用い、さらにその形成手法としてCVDその他の成膜手法を採用しても構わない。また、ハンドリング層の除去には、ドライエッチング、ウェットエッチング、研磨を含む機械加工のいずれかを用いてもよいし、あるいはそれらを組み合わせてもよい。また、レジストの厚みを異ならせて異なる深さの開口507を形成したが、深さの同じ開口ごとにパターニングとエッチングを繰り返しても良い。あるいは開口のサイズによってエッチングレートが変化することを利用し、開口のサイズを異ならせる(具体的にはメンブレン中心ほど開口サイズを大きくする)ことで深さを制御しても構わない。なお、開口507の形成においても、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれも利用可能である。
In this process example, silicon oxide by thermal oxidation is used as the insulating layer. However, other formation methods such as CVD and sputtering may be used. Silicon nitride is used as the material, and CVD and other components are used as the formation method. A membrane technique may be employed. Further, for the removal of the handling layer, any one of dry etching, wet etching, machining including polishing, or a combination thereof may be used. Further, the
<実施例3>
図7および図8を参照して、本発明の実施例3に係るトランスデューサを説明する。実施例3のトランスデューサは、メンブレンの内部に複数の閉空間を有している。
<Example 3>
A transducer according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. The transducer of Example 3 has a plurality of closed spaces inside the membrane.
本実施例のトランスデューサは、図7に示す断面構造と、図8に示す空間構造を有している。図8は、図7のB−B’の線における断面を示し、図7は、図8のC−C’の線における断面を示している。本実施例のトランスデューサは、基板601、支持体602、およびメンブレン603から構成されている。基板601には不図示の下部電極が形成され、メンブレン603には不図示の上部電極が形成されている。
The transducer of this example has a cross-sectional structure shown in FIG. 7 and a spatial structure shown in FIG. 8 shows a cross section taken along line B-B ′ of FIG. 7, and FIG. 7 shows a cross section taken along line C-C ′ of FIG. 8. The transducer of this embodiment includes a
メンブレン603の振動部分(第2領域)の内部には、大きさの異なる複数の閉空間604が形成されている。メンブレン603の中心では閉空間604のサイズ(体積)が大きく、メンブレン603の周辺部(第1領域)に近づくほど閉空間604のサイズが小さくなっている。このような閉空間604を設けることで、メンブレン603の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど(周辺部からの距離が大きいほど)小さくすることができる。
A plurality of
本実施例の構成においても、前述の実施例1、2と同様、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。また、本実施例のトランスデューサは表面が平らであるため、メンブレン表面への電極の形成が容易に行なえる。 Also in the configuration of the present embodiment, it is possible to increase the sensitivity while maintaining the resonance frequency as in the first and second embodiments. Further, since the transducer of this embodiment has a flat surface, it is possible to easily form electrodes on the membrane surface.
なお、本実施例では円柱形状の空間を示したが、本発明はこれに限られない。閉空間の形状は、球状であっても三角錐などを含む多面体であっても構わない。また閉空間の数や配置も適宜設定可能である。本実施例のトランスデューサも、従来公知の半導体製造技術を適宜組み合わせて作成することが可能である。 In the present embodiment, a cylindrical space is shown, but the present invention is not limited to this. The closed space may have a spherical shape or a polyhedron including a triangular pyramid. The number and arrangement of closed spaces can be set as appropriate. The transducer of this embodiment can also be produced by appropriately combining conventionally known semiconductor manufacturing techniques.
<実施例4>
図9および図10A〜図10Cを参照して、本発明の実施例4に係るトランスデューサを説明する。実施例4のトランスデューサは、メンブレンの内部に複数の閉空間を有して
いる。実施例3では閉空間のサイズを変えることでかさ密度を制御したが、実施例4では閉空間の単位体積あたりの数を変えることでかさ密度を制御する。
<Example 4>
A transducer according to Example 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10A to 10C. The transducer of Example 4 has a plurality of closed spaces inside the membrane. In the third embodiment, the bulk density is controlled by changing the size of the closed space. In the fourth embodiment, the bulk density is controlled by changing the number of closed spaces per unit volume.
本実施例のトランスデューサは、図9に示す断面構造を有し、基板801、支持体802、およびメンブレン803から構成される。基板801には不図示の下部電極が形成され、メンブレン803には不図示の上部電極が形成されている。図10Aは、メンブレン803の領域803Aの縦断面図(上段)と、その縦断面図のD−D’の線における横断面図(下段)を示している。図10Bは、メンブレン803の領域803Bの縦断面図と横断面図を示し、図10Cは、領域803Cの縦断面図と横断面図を示している。なお領域803Aはメンブレン803の中心領域であり、領域803B、領域803Cの順に中心から離れる。
The transducer of this embodiment has a cross-sectional structure shown in FIG. 9 and is composed of a
図10A〜図10Cに示すように、メンブレン803の振動部分(第2領域)の内部には、同一サイズの閉空間901が複数形成されている。メンブレン803の中心領域803Aでは単位体積あたりの閉空間901の数が最も多く、メンブレン803の周辺部(第1領域)に近づくほど単位体積あたりの閉空間901の数が少なくなっている。このような閉空間901を設けることで、メンブレン803の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど(周辺部からの距離が大きいほど)小さくすることができる。本実施例の構成においても、前述の実施例1〜3と同様、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。
As shown in FIGS. 10A to 10C, a plurality of
なお、本実施例では、閉空間を内包する3種類の領域と閉空間を内包しない1種類の領域の計4種類の領域でメンブレンを構成したが、本発明はこの構成に限られない。領域の数を3つ、あるいは5つ以上にしても構わない。また単位面積あたりの閉空間の数を連続的に変化させてもよい。そうするとメンブレンのかさ密度が連続的に変化するので、メンブレンの機械的な特性の異方性を抑制しやすい。 In the present embodiment, the membrane is configured with a total of four types of regions including three types of regions including a closed space and one type of region including no closed space, but the present invention is not limited to this configuration. The number of areas may be three, or five or more. Further, the number of closed spaces per unit area may be continuously changed. Then, since the bulk density of the membrane changes continuously, it is easy to suppress the anisotropy of the mechanical properties of the membrane.
<実施例5>
図11を参照して、本発明の実施例5に係るトランスデューサを説明する。本実施例のトランスデューサは、メンブレンの振動部分(第2領域)の少なくとも一部が基板と接触したコラプスモードで動作する。
<Example 5>
A transducer according to Example 5 of the present invention will be described with reference to FIG. The transducer of this embodiment operates in a collapse mode in which at least a part of the vibrating portion (second region) of the membrane is in contact with the substrate.
初めにコラプスモードについて簡便に説明する。コラプスモードとは,メンブレンが下部の基板に接触した状態で送受信を行なうモードのことである。まずメンブレンと下部の基板との接触について説明する。トランスデューサに与える直流的な初期電位差を大きくしていくと、静電引力が増大しメンブレンが下部の基板に引き付けられる。この引き付けられる位置は静電引力とメンブレンの復元力のつりあいによって決定される。さらに初期電位差を大きくし静電引力を増大させると、メンブレンの復元力を静電引力が超え、メンブレンが下部の基板に接触する。この動作はプルインと呼ばれ、このときの電位差はプルイン電圧Vpと呼ばれる。ところで,初期電位差とメンブレンの位置にはヒステリシスが存在し、メンブレンが下部の基板に接触した状態から脱し、メンブレンと下部の基板が離れるためには、プルイン電圧よりも小さい電位差まで下げなくてはいけない。このときの電位差をスナップバック電圧Vsと呼ぶ。 First, the collapse mode will be briefly described. The collapse mode is a mode in which transmission / reception is performed while the membrane is in contact with the lower substrate. First, the contact between the membrane and the lower substrate will be described. As the initial DC potential difference applied to the transducer is increased, the electrostatic attractive force increases and the membrane is attracted to the lower substrate. This attracted position is determined by the balance between the electrostatic attractive force and the restoring force of the membrane. If the initial potential difference is further increased to increase the electrostatic attractive force, the electrostatic attractive force exceeds the restoring force of the membrane, and the membrane contacts the lower substrate. This operation is called pull-in, and the potential difference at this time is called a pull-in voltage Vp. By the way, there is hysteresis in the initial potential difference and the position of the membrane, and the membrane must be lowered to a potential difference smaller than the pull-in voltage in order to get out of the state where the membrane is in contact with the lower substrate and leave the membrane and the lower substrate. . The potential difference at this time is called a snapback voltage Vs.
トランスデューサの初期電位差を一度Vpまで大きくし、メンブレンと下部の基板を接触させた後、Vs以上で送受信を行なうことで、メンブレンと下部の基板を接触させたまま送受信を行なうコラプスモードでの駆動が可能となる。 The initial potential difference of the transducer is once increased to Vp, and the membrane and the lower substrate are brought into contact, and then transmission / reception is performed at Vs or higher, so that the transmission in the collapse mode can be performed while the membrane and the lower substrate are in contact with each other. It becomes possible.
上記のようなコラプスモードでの駆動を行なうことで、トランスデューサの電気−機械変換効率を向上させることができる。(参考文献:Baris Bayram他, IE
EE UFFC Vol. 50, No. 9, pp1184−1190, Sep. 2003)
By performing driving in the collapse mode as described above, the electromechanical conversion efficiency of the transducer can be improved. (Reference: Baris Bayram et al., IE
EE UFFC Vol. 50, no. 9, pp1184-1190, Sep. 2003)
上記のようなコラプスモードにおいて、メンブレンが下部の基板と接触している領域の付近ではメンブレンと下部の基板との距離が非常に小さいため、メンブレンの微小な振動による静電容量の変化が大きくなる。つまりメンブレンと下部の基板とが接触している領域の付近が電気−機械変換効率の向上に大きく寄与している。 In the collapse mode as described above, since the distance between the membrane and the lower substrate is very small in the vicinity of the region where the membrane is in contact with the lower substrate, the capacitance change due to minute vibration of the membrane increases. . That is, the vicinity of the region where the membrane and the lower substrate are in contact greatly contributes to the improvement of the electromechanical conversion efficiency.
前述した実施例1〜4のいずれの構造のトランスデューサもコラプスモードで動作させることが可能である。以下、実施例4のトランスデューサを例にとり、コラプスモードの動作を説明する。 Any of the transducers of the first to fourth embodiments described above can be operated in the collapse mode. Hereinafter, the operation in the collapse mode will be described using the transducer of the fourth embodiment as an example.
図11は、コラプスモードで動作しているときのトランスデューサの断面形状を示している。初期の電位差を増大させていくことで、メンブレン803を下部の基板801に接触させる。通常メンブレンの中で最大のたわみの部分が下部の基板に最初に接触するため、本実施例ではメンブレン803の領域803Aの一部が下部の基板801に接触する。この接触状態を保持したまま送受信を行なうことでコラプスモードでの動作が可能となる。
FIG. 11 shows a cross-sectional shape of the transducer when operating in the collapse mode. The
コラプスモードにおいては先ほど述べた通り,接触領域の付近におけるメンブレンの挙動が電気−機械変換効率の向上に大きく寄与している。本実施例では、その接触領域の付近(接触領域と隣接した周辺領域であってメンブレンとして機能する領域)のかさ密度が最も小さくなっている。その結果、コラプスモードによる電気−機械変換効率の向上の度合いをさらに増大することが可能であり、本発明の効果をさらに大きく得ることができる。 In the collapse mode, as described above, the behavior of the membrane in the vicinity of the contact region greatly contributes to the improvement of the electromechanical conversion efficiency. In this embodiment, the bulk density in the vicinity of the contact area (the peripheral area adjacent to the contact area and functioning as a membrane) is the smallest. As a result, the degree of improvement in electro-mechanical conversion efficiency by the collapse mode can be further increased, and the effect of the present invention can be further increased.
101、210、401、601、801:基板
102、402、602、802:支持体
103、219、403、603、803:メンブレン
104、221、404:開口
301、501:低抵抗基板
302、502:開口
303、503:酸化シリコン層
304、504:SOI基板
305:凸部
306:開口
505:BOX層
506:レジスト層
507:開口
604、901:閉空間
101, 210, 401, 601, 801:
Claims (10)
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第1領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第2領域とからなり、
前記メンブレンの第2領域は、該第2領域のかさ密度が前記メンブレンの第1領域からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有することを特徴とする弾性波トランスデューサ。 A substrate having a lower electrode;
A support formed on the substrate;
A membrane held by the support and having an upper electrode;
An acoustic wave transducer comprising:
The membrane comprises a first region that is in contact with the support and a second region that is not in contact with the support and is deformed by receiving an elastic wave,
2. The acoustic wave transducer according to claim 2, wherein the second region of the membrane has a region in which the bulk density of the second region decreases as the distance from the first region of the membrane increases.
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第1領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第2領域とからなり、
前記メンブレンの少なくとも第2領域におけるかさ密度比が、0.1以上0.5以下であることを特徴とする弾性波トランスデューサ。 A substrate having a lower electrode;
A support formed on the substrate;
A membrane held by the support and having an upper electrode;
An acoustic wave transducer comprising:
The membrane comprises a first region that is in contact with the support and a second region that is not in contact with the support and is deformed by receiving an elastic wave,
The bulk acoustic wave density ratio in at least the second region of the membrane is 0.1 or more and 0.5 or less.
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