JP2013165753A - 超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】特性安定性に優れた超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置を提供する。
【解決手段】基板５と、基板５上に形成される絶縁膜と、基板５と前記絶縁膜との間に形成される空洞１７と、基板５に対して平行に空洞１７を挟んで設けられる一対の電極７，１１と、を備える超音波送受信素子２を有する超音波探触子１において、超音波送受信素子２は、一対の電極７，１１のうちの基板５から離れた電極１１の上に、応力の異なる材料からなる膜が積層されてなる多層構造の梁部１００が設けられ、梁部１００は、引張応力を与える膜と圧縮応力を与える膜とが積層されてなることを特徴とする、超音波探触子１。
【選択図】図３
【解決手段】基板５と、基板５上に形成される絶縁膜と、基板５と前記絶縁膜との間に形成される空洞１７と、基板５に対して平行に空洞１７を挟んで設けられる一対の電極７，１１と、を備える超音波送受信素子２を有する超音波探触子１において、超音波送受信素子２は、一対の電極７，１１のうちの基板５から離れた電極１１の上に、応力の異なる材料からなる膜が積層されてなる多層構造の梁部１００が設けられ、梁部１００は、引張応力を与える膜と圧縮応力を与える膜とが積層されてなることを特徴とする、超音波探触子１。
【選択図】図３
Description
本発明は、超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置に関する。
ヒトや動物等の被検体を超音波で検査するため、超音波探触子が好ましく用いられる。このような超音波探触子に関する技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。具体的には、半導体製造技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を適用し、薄膜の積層により、超音波送受信デバイスを作製するもので、シリコン基板上に設けられた下部電極と下部電極より上に設けられた上部電極と、上部電極より上に設けられた第１と第２の絶縁膜で構成されており、第１と第２の絶縁膜が、それぞれ引張応力と圧縮応力の組み合わせであり、上部電極と下部電極の間にあるギャップの反り量を調整することが記載されている。
また、特許文献２には、内部または表面に第１の電極を有する基板と、その内部または表面に第２の電極を有するダイヤフラムとを、空洞を介して配置している超音波トランスデューサーで、少なくとも１つの梁を具備していることが記載されている。
ｃＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）素子は、特許文献１に記載されているように、半導体製造技術やＭＥＭＳ技術を応用した技術である。具体的には、ｃＭＵＴ素子は膜が積層されて製造されるため、各膜の応力と剛性とのバランスによって、駆動電極層であるメンブレン（複数積層された膜からなる）が意図せず過度に反ることがある。そのため、駆動電極と固定電極とのギャップ間隔が製造ロット間で変化することがある。
各膜の応力は、シリコンウエハ面内で製造工程特有の分布を有しており、さらには、膜を形成する装置のバッチ毎や製造ロット毎にもばらつきがある。そのため、応力ばらつきに対応して、メンブレンの反り量もばらつき、ギャップ（幅）の間隔もばらつくことがある。
このような観点で、特許文献１に記載の技術においては、各膜の応力がばらついた場合は反りの変化が顕著にでて、ギャップ間隔のばらつきも大きいものとなる。即ち、製造ロット間でのばらつきが大きくなる。
ｃＭＵＴ素子の駆動時、はじめにギャップを挟む電極間に直流電圧が印加され、ギャップの間隔を縮める。そして、更に交流電圧が印加され、ギャップの間隔を縮めたり広げたりして超音波を発生させる。そのため、ギャップの間隔が装置毎に変動すると、直流電圧と交流電圧との両方の印加電圧も装置毎に変化させなければならなくなる。
また、直流電圧と交流電圧との大きさは、ギャップの間隔によって最適な設定がある。そのため、素子によってギャップがばらついた場合は、設定した印加電圧が、ギャップに応じた最適な印加電圧よりずれることになる。このようにして印加電圧がずれると、送信音圧がばらつき、発生する超音波の音響性能もばらつくため、ｃＭＵＴ素子を用いた超音波探触子としての特性安定性に課題が生じることがある。
また、超音波受信時には、直流電圧印加によりギャップが狭められた状態で、メンブレンの振動によるギャップ間隔の変化を静電容量変化として電流に変換する。そのため、直流電圧印加による素子への電荷の蓄積は、受信感度に影響を及ぼすことがある。従って、ギャップ間隔がばらついた場合には、受信信号がばらつき、超音波画像の精細度も低下することがある。即ち、超音波探触子としての特性安定性に課題が生じることがある。
また、特許文献２に記載の技術においては、装置製造時にフォトリソグラフィ工程でのマスク位置合わせばらつきにより梁の形成位置がずれた場合、絶縁膜のバランスが崩れることがある。その結果、製造ロット間の反り変形もばらつくことがあり、超音波画像の精細度が低下する可能性がある。即ち、超音波探触子としての特性安定性に課題が生じることがある。
本発明は前記課題に鑑みて為されたものである。即ち、その目的は、特性安定性に優れた超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置を提供することにある。
本発明者ら前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、梁を設け、当該梁の内部を異なる応力を与える膜を積層して構成することで前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、特性安定性に優れた超音波探触子及びそれを用いた超音波診断装置を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（本実施形態）を説明する。はじめに、図１及び図２を参照しながら、本実施形態の超音波探触子の全体構成を説明する。その後、図３及び図４を参照しながら、本実施形態の超音波探触子に適用されるｃＭＵＴ素子の構成について説明する。
＜本実施形態の超音波探触子の全体構成＞
図１に示すように、本実施形態の超音波探触子１は、ｃＭＵＴ素子２と、バッキング３と、フレキ基板４と、コネクタ９１と、配線９２と、回路基板９７と、接続端子９８とを備える。超音波探触子１は、例えば医療機関における人体検査（心臓、血管等の循環器検査、腹部検査等）に用いられる。
図１に示すように、本実施形態の超音波探触子１は、ｃＭＵＴ素子２と、バッキング３と、フレキ基板４と、コネクタ９１と、配線９２と、回路基板９７と、接続端子９８とを備える。超音波探触子１は、例えば医療機関における人体検査（心臓、血管等の循環器検査、腹部検査等）に用いられる。
超音波探触子１は、バッキング３の先端にｃＭＵＴ素子２を備えている。ｃＭＵＴ素子２は、後記する音響レンズ９４を介して被検体９５に超音波を照射するとともに、被検体９５から反射された超音波を受信するものである。この点についての詳細は後記する。ｃＭＵＴ素子２は、コネクタ９１に接続される配線９２を有するフレキ基板４に対して、ワイヤボンディングで接続されている。コネクタ９１は、回路基板９７（具体的な回路は図示していない）と接続している。そして、回路基板９７上の接続端子９８は、超音波診断装置２０１（図７参照）と接続する。
超音波診断装置２０１（詳細は後記する）は、ｃＭＵＴ素子２に電気信号を与えて駆動させるとともに、被検体９５からの受波による信号を画像化させるものである。ｃＭＵＴ素子２の表面には、ｃＭＵＴ素子２から発生した超音波を被検体方向にフォーカスするためのシリコーン樹脂の音響レンズ９４を備えている。ｃＭＵＴ素子２は、音響レンズ９４を経て、人体等の被検体９５に超音波を送受信する。
次に、図２を参照しながら、超音波探触子１のｃＭＵＴ素子２近傍の構成を詳細に説明する。図２に示すように、バッキング３の上には、樹脂４５を介してｃＭＵＴ素子２が接着固定されている。また、超音波送受信信号を基板（図示せず）に伝達するフレキ基板４も、樹脂４６を介してバッキング３に固定されている。
ｃＭＵＴ素子２とフレキ基板４とは、ワイヤボンディング法により、ワイヤ４２で接続されている。ワイヤ４２及びその接続部周辺は、封止樹脂４７により封止されている。これにより、ワイヤ４２の固定と、駆動電圧の印加によるエレクトロマイグレーションの防止とをすることができる。そして、これらの構造体の上に、音響レンズ９４が樹脂４１で接着固定されている。また、これらの構造体は、ケース４３に収納されている。ケース４３と音響レンズ２との隙間は、樹脂４４で充填されている。
＜ｃＭＵＴ素子２の構成＞
超音波探触子１に適用されるｃＭＵＴ素子２の表面（音響レンズ９４に対応する面）を拡大した様子が図３である。なお、ｃＭＵＴ素子２は通常複数のセルにより構成されている。そのため、図３には、当該複数のセルのうちの一つのセルを拡大して示している。
超音波探触子１に適用されるｃＭＵＴ素子２の表面（音響レンズ９４に対応する面）を拡大した様子が図３である。なお、ｃＭＵＴ素子２は通常複数のセルにより構成されている。そのため、図３には、当該複数のセルのうちの一つのセルを拡大して示している。
ｃＭＵＴ素子２は、シリコン基板５と、下電極７と、上電極１１と、絶縁膜６，８，９，１０，１２，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６，１８ａ，１８ｂと、を備える。また、絶縁膜８と絶縁膜１０との間には、空洞１７が形成されている。
シリコン基板５表面には絶縁膜及び電極が積層されている。具体的には、シリコン基板５上には、絶縁膜６、下電極７、絶縁膜８、絶縁膜９、絶縁膜１０、上電極１１、絶縁膜１８ａ，１８ｂ及び絶縁膜１２が、この順で積層されている。また、空洞１７は、絶縁膜８と絶縁膜１０との間に設けられている。そして、絶縁膜１２表面には、梁部１００と２つのリム部１０１とが設けられている。
メンブレン１０２は、シリコン基板上に設けられる絶縁膜、電極及び空洞１７の集合体である。交流電圧印加時にメンブレン１０２が振動することで、超音波が発生する。メンブレン１０２は梁部１００及びリム部１０１を含む。
梁部１００は、上電極１１の中央付近、絶縁膜１８ａの上表面に設けられている。梁部１００は、絶縁膜１２，１３ａ，１４ａ，１５ａがシリコン基板５側からこの順で積層されている。即ち、図３に示すように、ｃＭＵＴ素子（超音波送受信素子）２の外表面には絶縁膜１６（引張応力を与える膜）が形成され、梁部１００は、シリコン基板（基板）５に近い方から、絶縁膜１２（引張応力を与える膜）、絶縁膜１３ａ（圧縮応力を与える膜）、絶縁膜１４ａ（引張応力を与える膜）、及び絶縁膜１５ａ（圧縮応力を与える膜）がこの順で積層されてなる。そして、梁部１００の上面及び側面は、絶縁膜１６によって被覆されている。梁部１００に含まれる層数（積層される膜の数）は、梁部１００とリム部１０１との間（即ち、梁部１００とリム部１０１との間に形成される凹部における底部）におけるメンブレン１０２の層数よりも多くなっている。
リム部１０１は、上電極１１の両端に一部重複して、絶縁膜１８ｂの上表面に設けられている。即ち、図３に示すように、梁部１００に離間してリム部１０１が設けられ、リム部１０１は、絶縁膜１２，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ（応力の異なる材料からなる膜）が積層されてなる多層構造であり、リム部１０１が、空洞端２１（空洞１７の端部）よりも空洞１７側に張り出している。リム部１０１が設けられることにより、ｃＭＵＴ素子２の強度を向上させることができる。また、リム部１０１は剛性が高いため、メンブレン１０２をより良好に振動させることができる。
図３に示すリム部１０１，１０１の下側には、上電極１１の両端（紙面左右方向端部）が形成されるように、リム部１０１，１０１が設けられている。リム部１０１は、絶縁膜１２，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂを構成要素として、これらがシリコン基板５側からこの順で積層されている。そして、リム部１０１の上面及び梁部１００に対向する面は、絶縁膜１６によって被覆されている。リム部１０１に含まれる層数は、梁部１００と同様に、梁部１００とリム部１０１との間（即ち、梁部１００とリム部１０１との間に形成される凹部における底部）におけるメンブレン１０２の層数よりも多くなっている。
リム部１０１の端部であるリム端２０は、空洞１７の端部である空洞端２１よりも張り出している。これにより、メンブレン１０２の空洞端２１近傍の変形し易い部分の剛性を高めることができる。このため、各膜の応力変動によるメンブレン１０２の反りや空洞１７のギャップ変動を小さくすることができる。
リム部１０１と絶縁膜８との間は、各絶縁膜が複雑に積層されて構成されている。このような積層構造を有することで、リーク電流による絶縁破壊を防止することができる。
下電極７及び上電極１１は、いずれも平行平板電極である。そして、これらの電極に対して図示しない電源を接続して、直流電圧若しくは交流電圧を印加することにより、メンブレン１０２が反ることになる。即ち、上電極１１が、下電極７側に引っ張られて近づくことになる。なお、メンブレン１０２は、下電極７及び上電極１１への直流電圧の印加により反りが生じる部位である。また、交流電圧印加時には、メンブレン１０２は振動が生じる部位である。
ここで、ｃＭＵＴ素子２に備えられる絶縁膜について説明する。ｃＭＵＴ素子２に備えられる絶縁膜は、二酸化ケイ素（二酸化シリコン；ＳｉＯ２）及び窒化ケイ素（窒化シリコン；Ｓｉ３Ｎ４）により構成される。即ち、絶縁膜６，８，９，１０，１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１８ａ，１８ｂ（第１の絶縁膜）は、二酸化ケイ素により構成される。また、絶縁膜１２，１４ａ，１４ｂ，１６（第２の絶縁膜）は、窒化ケイ素により構成される。このように、ｃＭＵＴ素子２に適用される絶縁膜は、２種の異なる絶縁材料により構成されている。これらの絶縁膜は、例えば化学気相成長法やスパッタ法により形成することができる。
二酸化ケイ素からなる膜（第１の絶縁膜）は、圧縮応力を与える膜（圧縮応力の膜）である。一方、窒化ケイ素からなる膜（第２の絶縁膜）は、引張応力を与える膜（引張応力の膜）である。換言すれば、引張応力を与える膜は窒化ケイ素であり、圧縮応力を与える膜は二酸化ケイ素である。即ち、梁部１００においては、表面が窒化ケイ素からなる膜で覆われ、その内側には、表面側から、圧縮応力の二酸化ケイ素からなる膜（絶縁膜１５ａ）、引張応力の窒化ケイ素からなる膜（絶縁膜１４ａ）、圧縮応力の二酸化ケイ素からなる膜（絶縁膜１３ａ）、並びに引張応力の窒化ケイ素からなる膜（絶縁膜１２）がこの順で積層されていることになる。リム部１０１においても、略同様に積層されている。
即ち、超音波探触子１は、シリコン基板（基板）５と、シリコン基板５上に形成される絶縁膜６，８，９，１０，１２，１８ａ，１８ｂと、シリコン基板５と絶縁膜６，８，９，１０，１２，１８ａ，１８ｂとの間に形成される空洞１７と、シリコン基板５に対して平行に空洞１７を挟んで設けられる上電極１１及び下電極７（一対の電極）と、を備えるｃＭＵＴ（超音波送受信素子）２を有するものである（図１及び図３参照）。そして、超音波探触子１においては、超音波送受信素子２は、図３に示すように、上電極１１及び下電極７のうちのシリコン基板５から離れた上電極１１（電極）の上に、応力の異なる材料からなる膜１２，１３ａ，１４ａ，１５ａが積層されてなる多層構造の梁部１００が設けられ、梁部１００は、絶縁膜１２，１４ａ（引張応力を与える膜）と絶縁膜１３ａ，１５ａ（圧縮応力を与える膜）とが積層されてなる。
もし、圧縮応力の膜と引張応力の膜とが積層されずに１種の層のみからなる場合、反りばらつきが生じ易い。特に、ロット間で製造ばらつきが生じ、製造ロット間で応力が異なるものになった場合、梁部が設けられていると応力の作用が複雑になる。そのため、メンブレン駆動のばらつきを抑えることは難しい。しかしながら、積層される層の数（層数）が２層の場合、例えばバイメタルのように応力ばらつきが反り量に反映されることがあるものの、前記のばらつきを抑えることができる。これにより、良好な特性安定性を得ることができる。さらに、前記層数が３層以上である場合、このようなばらつきをより確実に抑えることができる。
従って、超音波探触子１において、図３に示すように、梁部１００に含まれる絶縁膜１２，１３ａ，１４ａ，１５ａ（膜）の層数は、梁部１００以外の部位を構成する絶縁膜１２，１６の層数よりも多くなっている。具体的には、超音波探触子１においては、梁部１００は４層からなり、梁部１００以外の部位を構成する絶縁膜は２層である。このように、梁部１００の層数は、梁部１００以外の部位を構成する絶縁膜の層数よりも多くなっている。また、超音波探触子１において、引張応力を与える膜（絶縁膜１２，１４ａ）、並びに、圧縮応力を与える膜（絶縁膜１３ａ，１５ａ）は、絶縁膜である。
梁部１００においては、圧縮応力を与える膜と引張応力を与える膜とが積層されている。そのため、もし各絶縁膜の応力がばらつきにより変動した場合でも、梁部１００がこのような積層構造を有することで、引張応力の膜と圧縮応力の膜とがバランスする。その結果、製造ロット間でのメンブレン１０２の反りの変動が小さく、空洞１７のギャップ間隔のばらつきを小さくすることができる。
また、メンブレン１０２を構成する各絶縁膜の応力の総和が圧縮応力となる場合は、座屈が発生する。これにより、メンブレン１０２が正常に振動しなくなるか、場合によっては座屈による割れが発生することがある。そのため、各絶縁膜の応力の総和は引張応力になることが好ましい。即ち、シリコン基板（基板）５上に形成される絶縁膜（膜）６，８，９，１０，１２，１８ａ，１８ｂの応力の総和が引張応力である。また、各絶縁膜の応力の平均値も同様に引張応力になることが好ましい。従って、ｃＭＵＴ素子２においては、各絶縁膜の応力の総和は引張応力になるように、層数を決定している。
なお、梁部１００及びリム部１０１を覆う絶縁膜１６は、前記のように引張応力を与える膜であるが、ｃＭＵＴ素子２の表面を保護（例えば異物の混入、防湿等）する機能も有する。
次に、図４を参照しながら、メンブレン１０２の厚さと梁部１００の高さとの関係について説明する。ｃＭＵＴ素子２においては、図４に示すように、メンブレン１０２の応力中立面１０３が、梁部１００の梁中立面１０４よりも低い位置になっている。即ち、応力中立面１０３と梁中立面１０４とを比較した際に、応力中立面１０３が上電極１１により近くなるようになっている。従って、応力中立面１０３及び梁中立面１０４がこのような関係を満たすように、メンブレン１０２及び梁部１００の高さが設定される。
即ち、超音波探触子１において、図４に示すように、シリコン基板（基板）５上に形成されている絶縁膜６，８，９，１０，１２，１８ａ，１８ｂのシリコン基板５に垂直な方向の応力中立面１０３が、梁部１００のシリコン基板５に垂直な方向の梁中立面１０４よりも、シリコン基板５から離れた位置に存在する。
なお、前記の「中立面」に関して、本実施例では以下のように定義する。即ち、各膜の応力によりメンブレン１０２に曲げ変形（反り）が発生した場合、凹側は縮み、凸側は伸びている状態であるが、この境界の縮みや伸びがない、即ち歪がゼロとなる面を「中立面」と呼称するものである。
メンブレン１０２が駆動（反り及び振動）するときの支点は、空洞１７の上面端部１０５である。また、メンブレン１０２が駆動するときの振動中心は、空洞１７の上面１０６近傍である。従って、応力中立面１０３が上面１０６から離れるに従ってメンブレン１０２に発生する曲げモーメントが大きくなる。その結果、メンブレン１０２の反りが大きくなるとともに、各絶縁膜の応力ばらつきの影響度も大きくなる。
このことを考慮すると、応力中立面１０３は、上面１０６にできるだけ近くなるように設定することが好ましい。即ち、ｃＭＵＴ素子２においては、上面１０６と応力中立面１０３との距離と、上面１０６と梁中立面１０４との距離とを比較した場合、前者の距離の方が短くなるように設定される。
＜ｃＭＵＴ素子２についての変形例＞
図５は、図３に示すｃＭＵＴ素子２の変更例である。なお、図５に示すｃＭＵＴ素子２ａにおいて、図３に示すｃＭＵＴ素子２と同じ部材については同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
図５は、図３に示すｃＭＵＴ素子２の変更例である。なお、図５に示すｃＭＵＴ素子２ａにおいて、図３に示すｃＭＵＴ素子２と同じ部材については同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
ｃＭＵＴ素子２ａは、梁部１００において、絶縁膜１５ａと絶縁膜１６との間に高剛性膜２２ａが設けられている。また、リム部１０１において、絶縁膜１５ｂと絶縁膜１６との間に高剛性膜２２ｂが設けられている。このような高剛性膜２２ａ，２２ｂが設けられることにより、メンブレン１０２の剛性を高めることができる。その結果、各絶縁膜の応力ばらつきに対して、反り変動やギャップ間隔の変動を小さく抑えることができる。
高剛性膜２２ａ，２２ｂを構成する具体的材料は特に制限されないが、タングステン（Ｗ）、炭化タングステン（ＷＣ）、ほう化タングステン（Ｗ２Ｂ５）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、モリブデン（Ｍｏ）、ほう化モリブデン（Ｍｏ２Ｂ５）、炭化モリブデン（Ｍｏ２Ｃ）、ほう化チタン（ＴｉＢ２）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）が好適である。また、これらの中でも、タングステンが特に好適である。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
即ち、図５に示すように、ｃＭＵＴ素子（超音波送受信素子）２の外表面には絶縁膜１６（引張応力を与える膜）が形成され、高剛性膜２２ａ（梁部１００の最上膜）として、絶縁膜１６（外表面の引張応力を与える膜）に接して、タングステン、炭化タングステン、ほう化タングステン、窒化チタン、炭化チタン、モリブデン、ほう化モリブデン、炭化モリブデン、ほう化チタン及び炭化ケイ素からなる群より選ばれる１種以上の膜が形成されている。
これらの材料についてのヤング率を下記表１にまとめた。また、表１には、二酸化ケイ素（第１の絶縁膜）及び窒化ケイ素（第２の絶縁膜）のヤング率も併せて示している。
表１に示すように、高剛性膜２２ａ，２２ｂに適用可能な材料は、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素のそれぞれのヤング率よりも大きなヤング率を有する材料である。即ち、高剛性膜２２ａ，２２ｂに適用可能な材料が有するヤング率としては、３００ＧＰａ以上であることが好ましい。そして、このような高剛性膜２２ａ，２２ｂを備えることで、ギャップ間隔の変動を抑制する効果をよりいっそう引き出すことができる。
＜メンブレン１０２の間隔変動量の評価＞
図３に示すｃＭＵＴ素子２、図５に示すｃＭＵＴ素子２ａ、並びに比較例のｃＭＵＴ素子（図示せず）のそれぞれについて、メンブレンの間隔変動量について検討した。なお、比較例のｃＭＵＴ素子においては、梁部が設けられるとともに、梁部の最上層膜より下の絶縁膜が二酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の２層構造のものである。即ち、図３に示すｃＭＵＴ素子２において、絶縁膜１２，１３ａ，１３ｂが省かれた梁部１００及びリム部１０１を備えるｃＭＵＴ素子である。
図３に示すｃＭＵＴ素子２、図５に示すｃＭＵＴ素子２ａ、並びに比較例のｃＭＵＴ素子（図示せず）のそれぞれについて、メンブレンの間隔変動量について検討した。なお、比較例のｃＭＵＴ素子においては、梁部が設けられるとともに、梁部の最上層膜より下の絶縁膜が二酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の２層構造のものである。即ち、図３に示すｃＭＵＴ素子２において、絶縁膜１２，１３ａ，１３ｂが省かれた梁部１００及びリム部１０１を備えるｃＭＵＴ素子である。
間隔変動量について、図６を参照しながら説明する。なお、図６において、図示の簡略化のために空洞１７近傍の部材のみを示し、ｃＭＵＴ素子２を構成する部材の一部を省略して記載している。
メンブレンは、通常は、メンブレンを構成する各絶縁膜や上電極膜の応力バランスにより、初期の反り変形量が決まる。各絶縁膜や上電極の応力が製造ロット間や、ウエハ面内のばらつきにより変動した場合は、応力バランスが変化するため、初期の反り変形量も図６（ｂ）の（ｉ）（ii）（iii）のように変わることになる。
初期の反りの場合の、空洞１７の高さ方向の幅はＬ０とすると、製造ロットばらつきや、ウエハ面内のばらつきにより、空洞１７の高さ方向の幅が図６（ｂ）に示すようにばらつくことがある。例えば、（ｉ）では標準的な幅Ｌ１となったにも関らず、（ii）ではメンブレン１０２があまり反らず、幅がＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）と長くなっている。また、（iii）では、メンブレン１０２が極端に反ってしまい、幅がＬ３（Ｌ１＞Ｌ３）と短くなっている。これらの反りのばらつき（空洞１７の高さ方向の幅のばらつき）は、例えば製造ロット間のばらつきに起因するものである。
そして、このような幅のばらつき（即ち、標準的な幅Ｌ１に対する差分）が過度に大きい場合、前記のような課題が生じることになる。そこで、このような幅のばらつきは、製造ロット間でできるだけ小さいことが好ましい。幅のばらつきを小さくすることで、同じ電圧（直流電圧及び交流電圧）を印加したときのメンブレンの挙動を全ての製造ロット間で同様にすることができる。
以上の点を踏まえ、ｃＭＵＴ素子２、ｃＭＵＴ素子２ａ、並びに従来のｃＭＵＴ素子のそれぞれについて、メンブレンの間隔変動量（即ち、製造ロット間での幅の変動量）を評価した。評価は、有限要素法によるシミュレーションにより行った。その結果を図７に示す。
図７に示すグラフにおいては、所定の直流電圧を印加した際のｃＭＵＴ素子における幅のばらつきを所定回数評価し、それらのうちの最大幅と最小幅との差を規格化して示している。図７に示すように、比較例のｃＭＵＴ素子の間隔変動量を１とした場合、本実施形態のｃＭＵＴ素子２の間隔変動量は０．５であった。また、本実施形態のｃＭＵＴ素子２ａの間隔変動量は０．３であった。
このように、本実施形態のｃＭＵＴ素子２，２ａを用いることで、間隔変動量を小さくすることができる。即ち、本実施形態のｃＭＵＴ素子２，２ａによれば、メンブレンの駆動のばらつきを小さくすることができる。換言すれば、製造ロット間での幅のばらつきを小さくすることができる。これにより、音響特性のばらつきを小さくすることができ、特性安定性に優れた超音波探触子を提供することができる。
＜本実施形態の超音波探触子を用いた超音波診断装置＞
次に、本実施形態の超音波探触子を備える超音波診断装置（本実施形態の超音波診断装置）について、図８を参照しながら説明する。即ち、図８は、前記の超音波探触子１を備える超音波診断装置２０１を示す図である。
次に、本実施形態の超音波探触子を備える超音波診断装置（本実施形態の超音波診断装置）について、図８を参照しながら説明する。即ち、図８は、前記の超音波探触子１を備える超音波診断装置２０１を示す図である。
超音波診断装置２０１は、被検体内に超音波を送信し受信して得られたエコー信号を用いて診断部位の２次元超音波画像、３次元超音波画像あるいは各種ドプラ画像を構成して表示するものである。具体的には、超音波診断装置２０１は、図８（ａ）に示すように、超音波探触子１と、超音波探触子１が電気的に接続されている超音波送受信部２０４と、超音波画像形成部２０５と、表示部２０６と、制御部２０７と、コントロールパネル２０８とを備えて構成される。
超音波探触子１は、被検体９５に超音波を送信して反射したエコーを受信するものである。超音波探触子に搭載されるｃＭＵＴ素子としては、図３に示すｃＭＵＴ素子２や図５に示すｃＭＵＴ素子２ａが適用される。超音波探触子１の具体的な構成は図１等を参照しながら前記したため、その説明を省略する。
超音波送受信部２０４は、被検体９５に送信する超音波信号を発生するためのパルス状の電気信号を発生するものである。超音波送受信部２０４は、発生させた電気信号を超音波探触子１に送信する送信パルス発生部と、超音波探触子１で受信したエコー信号を電気信号に変換する変換部とを備える。超音波送受信部２０４は、例えば市販されている任意の超音波送受信機等により構成される。
超音波画像形成部２０５は、受信信号から２次元超音波画像、３次元超音波画像あるいは各種ドプラ画像を形成するものである。超音波画像形成部２０５は、具体的には例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成される。
表示部２０６は、超音波画像形成部２０５で形成された超音波画像を表示するものである。また、表示部２０６には、後記するコントロールパネル２０８によって入力された情報や、その他診断に必要な情報等も併せて表示される。表示部２０６は、具体的には例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やモニタ装置等により構成される。
制御部２０７は、後記するコントロールパネル２０８で入力される制御情報に基づいて各手段を制御するものである。制御部２０７は、具体的には例えばＣＰＵ等により構成される。
コントロールパネル２０８は、作業者が被検体９５に対して所望の診断を行えるように、任意の情報が作業者によって入力されるものである。そして、この入力された情報に基づいて、制御部２０７が各手段を制御する。コントロールパネル２０８は、具体的には例えば押しボタン、タッチパネル等により構成される。
そして、超音波診断装置２０１を被検体９５に具体的に適用した様子が、図８（ｂ）である。
超音波探触子１を用いた前記超音波診断装置２０１は、ｃＭＵＴ素子２，２ａを構成する絶縁膜の応力ばらつきがあっても、各素子において、メンブレン１０２の反りのばらつきが小さい。そのため、空洞１７の幅（ギャップ間隔）のばらつきが小さくなり、ｃＭＵＴ素子２，２ａを駆動（初期位置にメンブレンを移動）するための直流電圧のばらつきが小さい。
この直流電圧の大きさは、送信音圧及び受信感度の特性を決定する因子である。そのため、直流電圧のばらつきが小さくなると、送信受信の感度ばらつきや信号のばらつきが小さくなる。従って、超音波診断装置２０１で表示する前記超音波画像の表示むらや粒子状に荒れたような部分がなく、高精細な画像を提供することができる。
＜変更例＞
以上、具体的な実施形態を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態は前記の内容に何ら制限されるものではない。例えば、各絶縁膜を構成する材料としては、前記の実施形態においては二酸化ケイ素及び窒化ケイ素を用いているが、引張応力を与える材料と圧縮応力を与える材料とを適宜組み合わせて用いればよい。
以上、具体的な実施形態を挙げて本実施形態を説明したが、本実施形態は前記の内容に何ら制限されるものではない。例えば、各絶縁膜を構成する材料としては、前記の実施形態においては二酸化ケイ素及び窒化ケイ素を用いているが、引張応力を与える材料と圧縮応力を与える材料とを適宜組み合わせて用いればよい。
また、梁部１００内部に含まれる絶縁膜の層数は図示の層数（絶縁膜１２，１３ａ，１４ａ，１５ａの４層）に限定されず、単数層又は複数層等の任意の層数に設定すればよい。さらに、リム部１０１内部に含まれる絶縁膜の層数も図示の層数（絶縁膜１２，１３ｂ，１４ｂ，１５ｂの４層）に限定されず、単数層又は複数層等の任意の層数に設定すればよい。これらの層数は、梁部１００及びリム部１０１内部で、異なる層数にしてもよい。さらに図示の例では、梁部１００に含まれる層数は、梁部１００とリム部１０１との間におけるメンブレン１０２の層数よりも多くなっているが、このような層数の関係に限定されるものではない。また、梁部１００及びリム部１０１の高さは異なっていてもよい。
また、メンブレン１０２を構成する電極や絶縁膜の厚さも特に限定されず、適宜設定すればよい。ただし、図４を参照しながら説明した関係を満たすように、電極や絶縁膜の厚さ（即ちメンブレン１０２および梁部１００の高さ）を設定することが好ましい。
また、図示の例では、引張応力を与える層と圧縮応力を与える層とが交互に積層されているが、積層の形態としてはこの図示の例に限定されるものではない。
１ 超音波探触子
２ ｃＭＵＴ素子（超音波送受信素子）
３ バッキング
４ フレキ基板
６ 絶縁膜
７ 下電極（電極）
８ 絶縁膜
９ 絶縁膜
１０ 絶縁膜
１１ 上電極（電極）
１２ 絶縁膜（第２の絶縁膜）
１３ａ、１３ｂ 絶縁膜（第１の絶縁膜）
１４ａ、１４ｂ 絶縁膜（第２の絶縁膜）
１５ａ、１５ｂ 絶縁膜（第１の絶縁膜）
１６ 絶縁膜
１７ 空洞
１８ａ、１８ｂ 絶縁膜
２０ リム端
２１ 空洞端
４１ 樹脂
４２ ワイヤ
４３ ケース
４４ 樹脂
４５ 樹脂
４６ 樹脂
４７ 封止樹脂
９１ コネクタ
９２ 配線
９４ 音響レンズ
９５ 被検体
９７ 回路基板
９８ 接続端子
１００ 梁部
１０１ リム部
１０２ メンブレン
１０３ 応力中立面
１０４ 梁中立面
１０５ 上面端部
１０６ 上面
２０１ 超音波診断装置
２０４ 超音波送受信部
２０５ 超音波画像形成部
２０６ 表示部
２０７ 制御部
２０８ コントロールパネル
２ ｃＭＵＴ素子（超音波送受信素子）
３ バッキング
４ フレキ基板
６ 絶縁膜
７ 下電極（電極）
８ 絶縁膜
９ 絶縁膜
１０ 絶縁膜
１１ 上電極（電極）
１２ 絶縁膜（第２の絶縁膜）
１３ａ、１３ｂ 絶縁膜（第１の絶縁膜）
１４ａ、１４ｂ 絶縁膜（第２の絶縁膜）
１５ａ、１５ｂ 絶縁膜（第１の絶縁膜）
１６ 絶縁膜
１７ 空洞
１８ａ、１８ｂ 絶縁膜
２０ リム端
２１ 空洞端
４１ 樹脂
４２ ワイヤ
４３ ケース
４４ 樹脂
４５ 樹脂
４６ 樹脂
４７ 封止樹脂
９１ コネクタ
９２ 配線
９４ 音響レンズ
９５ 被検体
９７ 回路基板
９８ 接続端子
１００ 梁部
１０１ リム部
１０２ メンブレン
１０３ 応力中立面
１０４ 梁中立面
１０５ 上面端部
１０６ 上面
２０１ 超音波診断装置
２０４ 超音波送受信部
２０５ 超音波画像形成部
２０６ 表示部
２０７ 制御部
２０８ コントロールパネル
Claims (10)
- 基板と、前記基板上に形成される絶縁膜と、前記基板と前記絶縁膜との間に形成される空洞と、前記基板に対して平行に前記空洞を挟んで設けられる一対の電極と、を備える超音波送受信素子を有する超音波探触子において、
前記超音波送受信素子は、
前記一対の電極のうちの前記基板から離れた電極の上に、応力の異なる材料からなる膜が積層されてなる多層構造の梁部が設けられ、
前記梁部は、引張応力を与える膜と圧縮応力を与える膜とが積層されてなる
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１に記載の超音波探触子において、
前記梁部に含まれる膜の層数は、前記梁部以外の部位を構成する絶縁膜の層数よりも多くなっている
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１又は２に記載の超音波探触子において、
前記引張応力を与える膜、並びに、前記圧縮応力を与える膜は、絶縁膜である
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記基板上に形成されている絶縁膜の前記基板に垂直な方向の応力中立面が、前記梁部の前記基板に垂直な方向の梁中立面よりも、前記基板から離れた位置に存在する
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記超音波送受信素子の外表面には引張応力を与える膜が形成され、
前記梁部は、前記基板に近い方から、引張応力を与える膜、圧縮応力を与える膜、引張応力を与える膜、及び圧縮応力を与える膜がこの順で積層されてなる
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記引張応力を与える膜は窒化ケイ素であり、
前記圧縮応力を与える膜は二酸化ケイ素である
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜６の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記超音波送受信素子の外表面には引張応力を与える膜が形成され、
前記梁部の最上膜として、前記外表面の引張応力を与える膜に接して、タングステン、炭化タングステン、ほう化タングステン、窒化チタン、炭化チタン、モリブデン、ほう化モリブデン、炭化モリブデン、ほう化チタン及び炭化ケイ素からなる群より選ばれる１種以上の膜が形成されている
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜７の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記基板上に形成される膜の応力の総和が引張応力である
ことを特徴とする、超音波探触子。 - 請求項１〜８の何れか１項に記載の超音波探触子において、
前記梁部に離間してリム部が設けられ、
前記リム部は、応力の異なる材料からなる膜が積層されてなる多層構造であり、
前記リム部が、前記空洞の端部よりも前記空洞側に張り出している
ことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１〜９の何れか１項に記載の超音波探触子を備える
ことを特徴とする、超音波診断装置。
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