JP2014236841A - Capacitive transducer, and driving method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波診断装置などに使用される超音波トランスデューサ等の静電容量型のトランスデューサ、その駆動方法等に関する。 The present invention relates to a capacitive transducer such as an ultrasonic transducer used in an ultrasonic diagnostic apparatus, a driving method thereof, and the like.
超音波診断装置の1つに光音響振動を利用したものがある。光音響振動は、例えば体外から照射したパルスレーザが体内の組織で吸収される際に発生する超音波振動ないし音響波振動である。尚、本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含む。例えば、被検体内部に可視光線や赤外線等の光(電磁波)を照射して被検体内部で発生する光音響波を含む。以下では、多くの場合、音響波を超音波で代表する。光音響振動は、体内の特定の組織において発生するため、この情報を利用した体内組織のイメージングが可能である。体内で発生した超音波振動の検出には、超音波プローブを使用する。超音波プローブ内には超音波トランスデューサが配置されていて、超音波振動を電気信号に変換する。 One ultrasonic diagnostic apparatus uses photoacoustic vibration. The photoacoustic vibration is, for example, ultrasonic vibration or acoustic wave vibration generated when a pulse laser irradiated from outside the body is absorbed by a tissue in the body. In addition, in this specification, an acoustic wave includes what is called a sound wave, an ultrasonic wave, and a photoacoustic wave. For example, it includes photoacoustic waves generated inside the subject by irradiating the subject with light (electromagnetic waves) such as visible light and infrared rays. In the following, in many cases, an acoustic wave is represented by an ultrasonic wave. Since photoacoustic vibration is generated in a specific tissue in the body, it is possible to image the body tissue using this information. An ultrasonic probe is used to detect ultrasonic vibration generated in the body. An ultrasonic transducer is disposed in the ultrasonic probe, and converts ultrasonic vibration into an electrical signal.
超音波トランスデューサには、従来、圧電効果を利用したものが利用されてきたが、近年、静電容量型の研究開発も盛んである。静電容量型の超音波トランスデューサは、例えば、キャビティと呼ばれる略真空に維持された空間と、その空間を挟むように設けられた2つの電極で構成される。2つの電極のうち一方の電極は、メンブレンに固定され振動可能に保持されている。超音波振動によってメンブレンが振動して、2つの電極間の距離が変化すると、静電容量の変化が生じる。2つの電極間に電圧を印加しておくと、静電容量の変化を電流信号として取り出すことができる(超音波受信動作)。また、2つの電極間に加える電圧は、2つの電極間に静電引力を生じさせる。加える電圧の大きさを時間で変化させることでメンブレンを振動させることができる(超音波送信動作)。 Conventionally, ultrasonic transducers using the piezoelectric effect have been used, but in recent years, electrostatic capacitance type research and development has also been active. The capacitive ultrasonic transducer includes, for example, a space called a cavity maintained in a substantially vacuum and two electrodes provided so as to sandwich the space. One of the two electrodes is fixed to the membrane and held so as to be able to vibrate. When the membrane vibrates due to ultrasonic vibration and the distance between the two electrodes changes, the capacitance changes. If a voltage is applied between the two electrodes, a change in capacitance can be taken out as a current signal (ultrasonic reception operation). Further, the voltage applied between the two electrodes generates an electrostatic attractive force between the two electrodes. The membrane can be vibrated by changing the magnitude of the applied voltage over time (ultrasonic transmission operation).
1つのキャビティと2つの電極からなる静電容量型のトランスデューサの構成単位は、セルと呼ばれる。複数のセルは、ある一定数毎に電気的に並列接続される。接続された複数のセルは、1つの変換素子として働く。この電気的な構成単位は、電気エレメントと呼ばれる。静電容量型の超音波トランスデューサのうち、半導体の微細加工技術を応用して作製されたものは、CMUT(CMUT:Capasitive−Micromachined−Ultrasonic−Transducer)と呼ばれる。CMUTは、複数のエレメントを高密度に配置することが可能である。この構造的特徴は、超音波診断装置のニーズであるイメージングの高画質化のための手段に適している。 A structural unit of a capacitive transducer composed of one cavity and two electrodes is called a cell. The plurality of cells are electrically connected in parallel every certain number. The plurality of connected cells serve as one conversion element. This electrical unit is called an electrical element. A capacitive ultrasonic transducer manufactured by applying a semiconductor microfabrication technique is called a CMUT (CMUT: Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer). The CMUT can arrange a plurality of elements at high density. This structural feature is suitable as a means for improving the image quality of imaging, which is a need for an ultrasonic diagnostic apparatus.
超音波診断装置の高画質化のためには、超音波の検出信号が低ノイズであることも重要である。超音波を利用した体内組織のイメージングでは、例えば、超音波の検出信号の時間ごとの信号強度(振幅)を画像輝度に変換して画像を構成する。こうした場合、超音波検出信号に発生したノイズによって、生体情報とは無関係の像が形成されることがある。超音波診断装置の画像構成時に問題となるノイズの1つに、静電容量型のトランスデューサのチップ上で伝播するものがある。この種のノイズは、後段のアンプ回路にて増幅されるため、特に影響が大きい。このノイズを除去する従来技術としては、特許文献1があげられる。特許文献1では、音響センサ上にノイズを検出するための容量成分を設けること、音響センサの信号と容量成分からの信号との差分をとるという技術が開示されている。 In order to improve the image quality of the ultrasonic diagnostic apparatus, it is also important that the ultrasonic detection signal has low noise. In the imaging of a body tissue using ultrasonic waves, for example, a signal intensity (amplitude) for each time of an ultrasonic detection signal is converted into image luminance to form an image. In such a case, an image unrelated to biological information may be formed due to noise generated in the ultrasonic detection signal. One type of noise that causes problems when constructing an image of an ultrasonic diagnostic apparatus is one that propagates on the chip of a capacitive transducer. This type of noise is particularly affected because it is amplified by a subsequent amplifier circuit. As a prior art for removing this noise, Patent Document 1 can be cited. Patent Document 1 discloses a technique of providing a capacitive component for detecting noise on an acoustic sensor and obtaining a difference between a signal from the acoustic sensor and a signal from the capacitive component.
特許文献1に開示されているトランスデューサの駆動方法を、静電容量型の超音波トランスデューサに適用した場合、ノイズ検出用の容量をトランスデューサ上に配置することになり、これによって、電気エレメントの配置密度が低下する恐れが出てくる。 When the transducer driving method disclosed in Patent Document 1 is applied to a capacitive ultrasonic transducer, a noise detection capacitor is arranged on the transducer, and thereby the arrangement density of the electric elements is increased. There is a fear that will decrease.
上記課題に鑑み、本発明の静電容量型のトランスデューサは、第一の電極と、該第一の電極とキャビティを介して対向して設けられた第二の電極を含む振動膜を有するセルを1つ以上それぞれ有する複数の電気エレメントを備える。複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性が、対をなす他方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆である。そして、前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記電気エレメントからの信号を得る。 In view of the above problems, a capacitive transducer according to the present invention includes a cell having a vibration film including a first electrode and a second electrode provided to face the first electrode through a cavity. A plurality of electrical elements each having one or more are provided. In one or more electric elements of the plurality of electric elements, the polarity of the bias voltage applied between the first electrode and the second electrode of one electric element forming the pair is the other electric element forming the pair The polarity of the bias voltage applied between the first electrode and the second electrode is opposite to the reference potential. Then, a difference between the output signal of the one electric element forming the pair and the output signal of the other electric element forming the pair is taken to obtain a signal from the electric element by an acoustic wave.
また、上記課題に鑑み、本発明の静電容量型のトランスデューサの駆動方法は、複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間と、対をなす他方の電気エレメントの第一の電極と第二の電極の間に、それぞれ、基準電位を挟んで極性が互いに逆であるバイアス電圧を印加し、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記エレメントからの信号を得る。
In addition, in view of the above problems, the capacitive transducer driving method of the present invention includes a first electrode and a second electrode of a pair of electric elements in a pair of electric elements of a plurality of electric elements. A bias voltage having opposite polarities across the reference potential is applied between the first electrode and the first electrode and the second electrode of the other electric element of the pair,
A difference between the output signal of the one electric element forming the pair and the output signal of the other electric element forming the pair is taken to obtain a signal from the element by an acoustic wave.
本発明においては、静電容量型のトランスデューサは、バイアス電圧の極性によらずに超音波を検出できるという特徴を利用する。この特徴を利用して、ノイズ検出用の容量をセンサ面に設けることなく、ノイズを抑制でき、S/Nを向上させることができる。本発明において、対をなすエレメントの電極間バイアスは基準電位に対して逆極性であるため、超音波検出信号は逆極性となる。従って、それぞれの信号を差分処理することで、超音波検出信号を強めあうことができる。 In the present invention, the capacitive transducer utilizes the feature that ultrasonic waves can be detected regardless of the polarity of the bias voltage. By utilizing this feature, noise can be suppressed and S / N can be improved without providing a noise detection capacitor on the sensor surface. In the present invention, since the bias between the electrodes of the paired elements has a reverse polarity with respect to the reference potential, the ultrasonic detection signal has a reverse polarity. Therefore, the ultrasonic detection signal can be strengthened by differentially processing each signal.
本発明では、複数のエレメントのうちの一対以上のエレメントにおいて、対をなす一方のエレメントの電極間に印加されるバイアス電圧の極性を、対をなす他方のエレメントの電極間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆とする。こうすることで、超音波検出信号は逆極性となる。従って、それぞれの信号を差分処理することで、超音波検出信号を強めあうことができる。一方で、チップ上で伝播するノイズはノイズ源より電極に伝播するので、ノイズ信号の極性はバイアス電位の極性には依存しない。従って、前記信号の差分処理によって、ノイズ信号を弱めあうことができる。従って、検出信号のノイズを低減することができる。また、ノイズ検出用の容量をトランスデューサ上に配置する必要がないため、電気エレメントの配置密度の低下を抑制することができる。 In the present invention, in one or more elements of a plurality of elements, the polarity of the bias voltage applied between the electrodes of one element forming a pair is set to the bias voltage applied between the electrodes of the other element forming a pair. The polarity is reversed with respect to the reference potential. By doing so, the ultrasonic detection signal has a reverse polarity. Therefore, the ultrasonic detection signal can be strengthened by differentially processing each signal. On the other hand, since the noise propagating on the chip propagates from the noise source to the electrode, the polarity of the noise signal does not depend on the polarity of the bias potential. Therefore, the noise signal can be weakened by the difference processing of the signal. Therefore, the noise of the detection signal can be reduced. Further, since it is not necessary to arrange a noise detection capacitor on the transducer, it is possible to suppress a reduction in the arrangement density of the electric elements.
以下、図と共に本発明の実施形態を説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1の電気的結合構造を説明するものである。グランド電位101は電気動作の基準電位である。バイアス電源102、バイアス電源103はグランド電位101に対して電位差を発生するものである。電気エレメント104a、電気エレメント104b、電気エレメント105a、電気エレメント105bは、静電容量型の超音波トランスデューサである。説明のために、エレメント104aの一方の端子に点p1、他方の端子にp2の記号を付す。同様に電気エレメント104b、105a、105bに対して点p3から点p8の記号を付す。電気エレメント104aの一方の端子p1はバイアス電源102に接続され、正のバイアス電位Vpが与えられる。また、他方の端子p2はIV(電流・電圧)変換器106aに接続される。IV変換器106aは、電気エレメント104aで発生した電流信号を、電流の向きと大きさに応じた電圧信号に変換する(電流の大きさに比例した電圧を発生させ、電流の向きに応じて電圧の極性が変わる)と共に、端子p2をグランド電位101に固定する。IV変換器106aは、例えば、トランスインピーダンス回路(公知技術)を用いると容易に実現できる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 1 illustrates an electrical coupling structure according to a first embodiment of the present invention. The
電気エレメント104bの一方の端子p3はバイアス電源103に接続され、負のバイアス電位Vmが与えられる。また、他方の端子p4はIV変換器106bに接続される。IV変換器106bは、IV変換器106aと同様に、電気エレメント104bで発生した電流信号を電圧回路に変換すると共に端子p4をグランド電位101に固定する。IV変換器106a、IV変換器106bにはそれぞれグランド電位101が接続される。IV変換器106a、IV変換器106bの出力電圧は、それぞれ差動増幅器108の正入力(+)、負入力(−)に入力される。差動増幅器108の出力端子110には、IV変換器106aの出力電圧とIV変換器106bの出力電圧との差分電圧が出力される。
One terminal p3 of the
本実施例では、電気エレメント104aと電気エレメント104bとが対をなして、1つの出力端子110に信号が生成される。図1の構成では、同様に、電気エレメント105aと電気エレメント105b、IV変換器107a、IV変換器107b、差動増幅器109によって出力端子111に信号が生成される。電気エレメント104aと電気エレメント105aの端子p1とp5とは、バイアス電源102に並列接続する。また、電気エレメント104bと電気エレメント105bの端子p3とp7とは、バイアス電源103に並列接続する。以下同様の手法を用いれば、一組のバイアス電源102、バイアス電源103に対して、電気エレメントと出力端子とを任意に増やすことが可能である。
In this embodiment, the
図2と図3を用いて、本実施例の動作原理を説明する。図2は、図1で説明した出力端子110に関連した要素を抜粋して示す図である。図2において、図1中の対応構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。図2では、電気エレメント104a、電気エレメント104bを、静電容量型のトランスデューサの断面模式で図示する。電気エレメント104a中の各セルは、下電極(第一の電極と第二の電極のうちの一方)113、振動膜114、上電極(第一の電極と第二の電極のうちの他方)115、ギャップ116で構成される。下電極113は図1の端子p1に対応する。下電極113は、バイアス電源102によって正のバイアス電位Vpが加えられる。振動膜114は、超音波振動可能な薄膜である。振動膜114の上面には上電極115が設けられる。上電極115は図1の端子p2に対応する。上電極115はIV変換器106aに接続され、グランド電位101に保持される。
The operation principle of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram showing extracted elements related to the
電気エレメント104b中の各セルは、下電極118、振動膜119、上電極120、ギャップ121で構成される。下電極118、上電極120は、図1の端子p3、p4に対応する。図2の構成において、外部からの超音波振動を受けて電気エレメント104aの振動膜114が矢印の方向に力Fを受けたとする。振動膜114と下電極113との間にはギャップ116があるため、振動膜114は、矢印方向にたわみが増加する。たわみの増加によって下電極116と上電極115との距離が近づくため、エレメント104aの静電容量は増加する。同様に、電気エレメント104bが力Fを受けた時も、エレメント104bの静電容量が増加する。
Each cell in the
前述の通り、電気エレメント104aの上電極115にはグランド電位が保持され、下電極113には正のバイアス電位Vpが保持されている。従って、電気エレメント104aの静電容量が増加した場合には、上電極115の負電荷が増えるため、IV変換器106aにはi1の向きに電流が流れる。また、電気エレメント104bの上電極120にはグランド電位101が保持され、下電極118には負のバイアス電位Vmが保持されている。従って、電気エレメント104bの静電容量が増加した場合にはIV変換器106bにはi2の向きに電流が流れる。つまり、上電極120への正の電荷がi2の向きに流れるので、結果的に電流がi2の向きに流れる。力Fの向きが矢印とは逆向きに作用する場合は、振動膜114、振動膜119のたわみは、矢印とは逆の向きに増加するため、電気エレメント104a、電気エレメント104bの静電容量は減少する。このとき電流i1、電流i2の電流の向きは、図2で示した矢印とは逆の向きとなる。前述の通り、IV変換器106a、IV変換器106bの出力電圧の極性は、電流の向きで決まるため、超音波振動によるIV変換器106a、IV変換器106bの出力電圧は互いに逆の極性となる。
As described above, the upper electrode 115 of the
次に、図2の構成において、超音波トランスデューサ上に外部からの電磁ノイズ123が作用した場合について説明する。電磁ノイズ123は、グランド電位101に対して電気インピーダンスの高い上電極115、上電極120に作用しやすい。すなわち、電磁ノイズによる電極電位の変動(影響度合い)は、バイアス電位に対するインピーダンスの大きさにより決まり、インピーダンスが小さい方が電極をバイアス電位に固定する能力が高いため、電磁ノイズによる電圧変動が小さくなる。下電極は導体を介してバイアス電位に接続されるのに対し、上電極はキャパシタを介してバイアス電位に接続されているため、上電極の方が下電極に比べてインピーダンスが高く、電磁ノイズが作用しやすい。電磁ノイズ123の作用を受けると、上電極115、上電極120の電位が変動する。
Next, a case where
今、電磁ノイズ123によって、上電極115の電位が正の方向に変動したとする。上電極115と対向する下電極113は、バイアス極性が正であるため、下電極と上電極との間の電位差は減少する。このとき電気エレメント104aに蓄積している負の電荷量は減少する。電荷量の減少によって、IV変換器106aには矢印の向き(負の電荷の流れの向きと反対の方向)に電流i3が流れる。同様に、電磁ノイズ123によって、上電極120の電位が正の方向に変動したとする。上電極120と対向する下電極118は、バイアス極性が負であるため、下電極と上電極との間の電位差は増加する。このとき電気エレメント104bに蓄積している正の電荷量は増加する。電荷量の増加によって、IV変換器106bには矢印の向き(正の電荷の流れの向き)に電流i4が流れる。前述の通り、IV変換器106a、IV変換器106bの出力電圧の極性は、電流の向きで決まるため、電磁ノイズ123によるIV変換器106aの出力電圧とIV変換器106bの出力電圧は互いに同じ極性となる。
Assume that the potential of the upper electrode 115 fluctuates in the positive direction due to the
図3は、電流i1から電流i4と出力端子110の出力電圧との関係を、差動増幅器108の動作と共に説明する図である。図3(a)は、IV変換器106aの出力端子電圧の時間変化の一例である。時刻t1から時刻t2の間の電圧変化を、超音波振動による振動膜114の振動によるものとする。また時刻t3から時刻t4の間の電圧変化を、電磁ノイズによる上電極115の電位の変化によるものとする。図3(b)は、IV変換器106bの出力端子電圧の時間変化の一例である。IV変換器106bの出力電圧は、IV変換器106aの出力電圧と比べて、時刻t1から時刻t2の間は逆位相、時刻t3から時刻t4の間は同位相となる。図3(c)は出力端子110の電圧変化である。出力端子110の電圧は、差動増幅器108の出力である。差動増幅器108の出力は、IV変換器106aの出力端子電圧からIV変換器106bの出力端子電圧を減算したものである。従って、時刻t1から時刻t2の間の超音波信号は互いに逆極性のため、加算されて振幅が増幅される。一方で、時刻t3から時刻t4の間の電磁ノイズによる電圧変化は互いに同位相のため、減算により振幅が減少する。以上の原理から、本実施例では超音波の電磁ノイズを減少することができる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the current i 1 to the current i 4 and the output voltage of the
図3の出力信号および電磁ノイズは、説明のために、時間的に分離している例を示しているが、これに限定されない。出力信号と電磁ノイズが時間的に分離されず、混在している場合においても、本実施例を含む本発明の駆動方法によれば同様の効果が得られる。なお、この効果は、逆位相の超音波信号を得て、同位相の電磁ノイズ信号を減算により取り除くことから得られるため、上電極と下電極の役割を反転させても同様に得ることができる。また基準電位はグランド電位でなくてもよい。また、バイアス電位Vpとバイアス電位Vmの電位は基準電位からの電位差(絶対値)が等しい(すなわち、基準電位に対して対称の電位となっている)必要はないが、等しくした場合は、図2の電流i3の大きさとi4の大きさとが等しくなる。従って、互いに打ち消しあって、外部への電磁ノイズをより大きく減らす効果が得られる。 For the sake of explanation, the output signal and electromagnetic noise in FIG. 3 are shown as being temporally separated, but the present invention is not limited to this. Even when the output signal and the electromagnetic noise are not separated in time and are mixed, the same effect can be obtained according to the driving method of the present invention including this embodiment. Since this effect is obtained by obtaining an ultrasonic signal of opposite phase and removing the in-phase electromagnetic noise signal by subtraction, it can be obtained similarly even if the roles of the upper electrode and the lower electrode are reversed. . The reference potential may not be the ground potential. In addition, the potential difference (absolute value) from the reference potential is not necessarily equal between the bias potential Vp and the bias potential Vm (that is, the potential is symmetric with respect to the reference potential). 2 is equal to the current i3 and i4. Therefore, the effects of canceling each other out and greatly reducing electromagnetic noise to the outside can be obtained.
図4から図6は、実施例1に適した超音波トランスデューサの構造を説明する図である。図4は上面図(一部透視図で表現している)、図5は図4のA−A’断面図、図6は図4のB−B’断面図である。図1、図2中の要素に対応する構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。本実施例のトランスデューサは基板131上に形成されている。基板131は絶縁材料の中でも、特にガラスが好適である。ただし、導電材料である単結晶シリコンなどであっても良い。導電材料を使用する場合は、表面に絶縁材料を形成する必要がある。単結晶シリコンの場合は、絶縁層は酸化シリコンや窒化シリコンが特に好適である。図4から図6では、基板131が絶縁材料である場合を図示する。
4 to 6 are diagrams illustrating the structure of an ultrasonic transducer suitable for the first embodiment. 4 is a top view (partially expressed in a perspective view), FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 4, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ of FIG. Constituent elements corresponding to the elements in FIGS. 1 and 2 are given the same numbers or will be described. The transducer of this embodiment is formed on the
図5に図示するように、基板131上には、下電極132、下電極133が形成される。下電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Al、Ti、Au、Cr、Cu、Niの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。下電極132、下電極133は、図2の下電極113、下電極118に対応する。下電極132、下電極133の上部には、キャビティ134が複数形成される。キャビティ134は、図2のギャップ116、ギャップ121に対応する。図5では、下電極132の上部にキャビティ134が形成される様子を図示する。下電極133の上部のキャビティ134も同様の構造である。キャビティ134の上には、振動膜135が形成される。振動膜135は、図2の振動膜114、振動膜119に対応する。振動膜135は、例えば、CVD(化学気相成長法)による酸化シリコンや窒化シリコンが特に好適である。振動膜135の上部には、上電極136、上電極137が形成される。上電極136、上電極137は、図2の上電極115、上電極120に対応する。上電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Al、Ti、Au、Cr、Cu、Niの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。
As illustrated in FIG. 5, the
図4に示すように、基板131上には複数のキャビティ134が2次元に配置される。図4では、キャビティ134は円形であるが、三角形や四角形などもあり得る。それぞれキャビティ134を含む複数のセルのうち、下電極を共有しかつ上電極を共有するものが、1つの電気エレメントを構成する。例えば、図4のエレメント104aは下電極132、上電極136を共有する。図4の電極構造と図1の回路とを比較すると、図4のエレメント104aは図1のエレメント104aに対応することが分かる。下電極132、上電極136は、図1の端子p1、端子p2に対応する。
As shown in FIG. 4, a plurality of
図4のエレメント104bは、下電極133、上電極138を共有する。図4のエレメント104bは図1のエレメント104bに対応する。下電極133、上電極138は、図1の端子p3、端子p4に対応する。端子p1、端子p2、端子p3、端子p4は、図4のデバイス上の電気パッド144、電気パッド140、電気パッド145、電気パッド141に相当する。各電気パッドには、図1の回路に合わせて、バイアス電源やIV変換回路が接続される。なお、開口部146は振動膜135の開口部である。図6にその断面図を示す。開口部146は、振動膜135の下に形成されるパッド144、パッド145を超音波トランスデューサの表面に引き出すために設けられる。
The
図4には、下電極132を共有しかつ上電極137を共有したエレメント105a、下電極133を共有しかつ上電極139を共有したエレメント105bも図示した。図4の電極構造と図1の回路とを比較すると、図4のエレメント105a、エレメント105bはそれぞれ図1のエレメント105a、エレメント105bに対応することが分かる。エレメント104a、エレメント104bと、エレメント105a、エレメント105bとは図4の左右方向に配置できると同時に、上下方向にも配置できる。エレメント105a’、エレメント105b’にその例を示す。以上の手法を用いれば、超音波トランスデューサ上に電気エレメントを任意の数で2次元に配置できる。回路配線を簡素化する観点からは、対をなす電気エレメントは、2次元配置において互いに隣接する電気エレメントであることが好ましい。
FIG. 4 also shows an
(実施例2)
図7は、本発明の実施例2の電気的結合構造を説明するものである。実施例1と同様の技術説明は省略する。実施例2は、上電極と下電極のどちらか一方が電気的に分割できない静電容量型の超音波トランスデューサに対して、特に好適である。グランド電位201は電気動作の基準電位である。バイアス電源202、バイアス電源203はグランド電位201に対して電位差を発生するものである。本実施例では、一対以上の電気エレメントのうち、少なくとも一対の電気エレメントのそれぞれに、基準電位が接続されている。
(Example 2)
FIG. 7 illustrates an electrical coupling structure according to the second embodiment of the present invention. A technical description similar to that of the first embodiment is omitted. The second embodiment is particularly suitable for a capacitive ultrasonic transducer in which one of the upper electrode and the lower electrode cannot be electrically divided. The ground potential 201 is a reference potential for electrical operation. The bias power source 202 and the bias power source 203 generate a potential difference with respect to the ground potential 201. In this embodiment, a reference potential is connected to each of at least a pair of electrical elements among the pair of electrical elements.
電気エレメント204a、電気エレメント204b、電気エレメント205a、電気エレメント205bは、静電容量型の超音波トランスデューサである。説明のために、エレメント204aの一方の端子に点p9、他方の端子にp10の記号を付す。同様に電気エレメント204b、205a、205bに対して点p11から点p16の記号を付す。電気エレメント204aの一方の端子p9は、グランド電位201に接続される。電気エレメント204aの他方の端子p10は、カップリングコンデンサ212aを介してIV変換器206aに接続されると共に、コイル214を介してバイアス電源202に接続される。IV変換器206aは、電気エレメント204aで発生した電流信号を、電流の向きと大きに応じた電圧信号に変換する。IV変換器206aは、トランスインピーダンス回路などで容易に実現できる。
The
電気エレメント204bの一方の端子p11はグランド電位201に接続される。電気エレメント204bの他方の端子p12は、カップリングコンデンサ212bを介してIV変換器206bに接続されると共に、コイル215を介してバイアス電源203に接続される。IV変換器206bは、IV変換器206aと同様に、電気エレメント204bで発生した電流信号を電圧回路に変換する。IV変換器206a、IV変換器206bにはそれぞれグランド電位201が接続される。IV変換器206a、IV変換器206bの出力電圧は、それぞれ差動増幅器208の正入力(+)、負入力(−)に入力される。差動増幅器208の出力端子210には、IV変換器206aの出力電圧とIV変換器206bの出力電圧との差分電圧が出力される。
One terminal p11 of the
本実施例では、電気エレメント204aと電気エレメント204bとが対をなして、1つの出力端子210に信号が生成される。図7では同様に、電気エレメント205aと電気エレメント205b、IV変換器207a、IV変換器207b、差動増幅器209によって出力端子211に信号が生成される。グランド電位201、バイアス電源202、コイル214、電気エレメント204aの端子p10、カップリングコンデンサ212a、IV変換器206a等を用いて、図1の動作との差を説明する。
In this embodiment, the
バイアス電源202は、グランド電位201を基準に電気エレメント204aの端子p10に正のバイアス電位Vpを与える。ただし、バイアス電源202と電気エレメント204aの端子p10との間には、コイル214があるため、バイアス電源202の直流インピーダンスは低く、交流インピーダンスは高い。バイアス電源202は、電気エレメント204aの端子p10の直流電位のみを決める。電気エレメント204aの端子p10とIV変換器206aとの間にはカップリングコンデンサ212aがあるため、電気エレメント204aの端子p10とIV変換器206aとの間の直流インピーダンスは高く、交流インピーダンスは低い。バイアス電源202の正のバイアス電位Vpは、IV変換器206aには、電気エレメント204aの超音波信号のみが伝達する。従って、電気エレメント204aが超音波振動を受けたときに、IV変換器206aに流れる電流は、実施例1の電流i1に対応する。バイアス電源203に関しても、コイル215を介して電気エレメント204bの端子p12に接続することで、バイアス電源202と同様の効果が得られる。電気エレメント204bが超音波振動を受けたときに、IV変換器206bに流れる電流は、実施例1の電流i2に対応する。
The bias power source 202 applies a positive bias potential Vp to the terminal p10 of the
電気エレメント204aの端子p10と電気エレメント205aの端子p14とは、コイル214、コイル216を介してバイアス電源202に並列接続する。また、電気エレメント204bの端子p12と電気エレメント205bの端子p16とは、コイル215、コイル217を介してバイアス電源203に並列接続する。以下同様の手法を用いれば、電気エレメントと出力端子とを任意に増やすことが可能である。
The terminal p10 of the
以下、IV変換器206a、IV変換器206b、差動増幅器208、出力端子210は、実施例1のIV変換器106a、IV変換器106b、差動増幅器108、出力端子110と同様の動作を行う。実施例1と同様の原理により、電磁ノイズを減少することができる。
Hereinafter, the IV converter 206a, the IV converter 206b, the differential amplifier 208, and the output terminal 210 perform the same operations as the
図8から図10は、実施例2に適した超音波トランスデューサの構造を説明する図である。図8は上面図(透視図として、部材の輪郭のみ表示している)、図9は図8のC−C’断面図、図10は図8のD−D’断面図である。図7の要素に対応する構成要素には、同一の番号を付すか、その旨を説明する。本実施例のトランスデューサは基板231上に形成されている。基板231は単結晶シリコン基板が特に好適である。基板231は下電極としても機能するため、抵抗率の低い材料が望ましい。例えば、抵抗率0.02Ω・cm以下のP型シリコン基板が良い。
8 to 10 are diagrams for explaining the structure of an ultrasonic transducer suitable for the second embodiment. 8 is a top view (only the outline of the member is shown as a perspective view), FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ of FIG. 8, and FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line D-D ′ of FIG. Constituent elements corresponding to the elements in FIG. 7 are given the same numbers or will be described. The transducer of this embodiment is formed on the
図9に図示するように、基板231上には絶縁層232が形成される。絶縁層232の材料としては、酸化シリコンが適している。単結晶シリコンの表面を熱酸化することで、絶縁層を形成することができる。絶縁層232の上面の一部には、周辺に対して凹部が複数ある。このような構造は、単結晶シリコンの熱酸化膜の一部をエッチングで除去して凹部を形成した後に、追加で熱酸化することで得られる。絶縁層232の上には、振動膜235が形成される。絶縁層232上の凹部と振動膜235とによってキャビティ234が形成される。キャビティ234は、図5のキャビティ134に対応する。
As shown in FIG. 9, an insulating
振動膜235はシリコン単結晶の薄膜が好適である。例えば、SOI基板のデバイス層の面と絶縁層232の面とを、直接接合により接合した後に、SOI基板のハンドル層とボックス層を除去することで、シリコン単結晶薄膜の振動膜235を形成することができる。振動膜235の上部には、上電極236、上電極237、上電極238、上電極239、が形成される。それぞれの上電極の材料は、導電性の材料であれば良いが、例えば、Al、Ti、Au、Cr、Cu、Niの単層、あるいは複数の材料からなる多層が特に好適である。
The
図8に示すように、基板231上には複数のキャビティ234が2次元配置される。図8では、キャビティ234は円形であるが、三角形や四角形などもあり得る。複数あるキャビティ234のうち、上電極を共有するものが、1つの電気エレメントである。例えば、図8のエレメント204aは上電極236を共有する。図8の電極構造と図7の回路とを比較すると、図8のエレメント204aは図7のエレメント204aに対応することが分かる。基板231、上電極236は、図7の端子p9、端子p10に対応する。
As shown in FIG. 8, a plurality of
図8のエレメント204bは、上電極238を共有する。図8のエレメント204bは図7のエレメント204bに対応する。基板231、上電極238は、図7の端子p11、端子p12に対応する。図7の端子p9、端子p11に相当する端子は、図8の電気パッド244である。また、図7の端子p10、端子p12に相当する端子は、図8の電気パッド240、電気パッド241である。各電気パッドには、図7の回路に合わせて、バイアス電源やIV変換回路が接続される。なお、開口部245は絶縁層232の開口部である。図10にその断面図を示す。開口部245は、絶縁層232の下の基板231すなわち下電極を、超音波トランスデューサの表面に引き出すために設けられる。開口部245には電気パッド244が設けられる。
The
図8には、上電極237を共有したエレメント205a、上電極239を共有したエレメント205bも図示した。図8の電極構造と図7の回路とを比較すると、図8のエレメント205a、エレメント205bはそれぞれ図7のエレメント205a、エレメント205bに対応することが分かる。エレメント204a、エレメント204bと、エレメント205a、エレメント205bとは、図8の左右方向に配置できると同時に、上下方向にも配置できる。エレメント205a’、エレメント205b’にその例を示す。以上の手法を用いれば、超音波トランスデューサ上に電気エレメントを任意の数で2次元に配置できる。
FIG. 8 also shows an
上記実施例のトランスデューサを有する超音波診断装置などの情報取得装置の適用例を説明する。被検体からの音響波をトランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報や音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報などを取得することができる。より詳しくは、被検体情報取得装置の一実施形態は、被検体に光(可視光線や赤外線を含む電磁波)を照射する。このことにより被検体内の複数の位置(部位)で発生した光音響波を受信し、被検体内の複数の位置に夫々対応する特性情報の分布を示す特性分布を取得する。光音響波により取得される特性情報とは、光の吸収に関わる特性情報を示し、光照射によって生じた光音響波の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報を含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やトータルヘモグロビン濃度や、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン濃度などである。また、被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的とすることもできる。よって、被検体としては生体、具体的には人や動物の乳房、頸部、腹部などの診断対象が想定される。被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高い組織を示す。例えば、人体の一部が被検体であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む腫瘍、頸動脈壁のプラークなどがある。さらには、金粒子やグラファイトなどを利用して、悪性腫瘍などと特異的に結合する分子プローブや、薬剤を伝達するカプセルなども光吸収体となる。 An application example of an information acquisition apparatus such as an ultrasonic diagnostic apparatus having the transducer of the above embodiment will be described. Using the electrical signal that is received by the transducer and receiving the acoustic wave from the subject, subject information that reflects the subject's optical characteristic values such as the light absorption coefficient, subject information that reflects the difference in acoustic impedance, etc. Can be acquired. More specifically, one embodiment of the subject information acquiring apparatus irradiates the subject with light (electromagnetic waves including visible light and infrared rays). Thus, photoacoustic waves generated at a plurality of positions (parts) in the subject are received, and characteristic distributions indicating distributions of characteristic information respectively corresponding to the plurality of positions in the subject are acquired. Characteristic information acquired by photoacoustic waves indicates characteristic information related to light absorption. The initial sound pressure of photoacoustic waves generated by light irradiation, or the optical energy absorption density derived from the initial sound pressure, the absorption coefficient And characteristic information reflecting the concentration of substances constituting the tissue. The substance concentration is, for example, oxygen saturation, total hemoglobin concentration, oxyhemoglobin or deoxyhemoglobin concentration. The object information acquisition apparatus can also be used for diagnosis of malignant tumors, vascular diseases, etc. of humans and animals and follow-up of chemical treatment. Therefore, the subject is assumed to be a living body, specifically, a diagnosis target such as a breast, neck or abdomen of a human or animal. The light absorber inside the subject indicates a tissue having a relatively high absorption coefficient inside the subject. For example, if a part of the human body is a subject, there are oxyhemoglobin or deoxyhemoglobin, blood vessels containing many of them, tumors containing many new blood vessels, and plaques on the carotid artery wall. Furthermore, molecular probes that specifically bind to malignant tumors using gold particles or graphite, capsules that transmit drugs, and the like are also light absorbers.
また、光音響波の受信だけでなく、トランスデューサを含むプローブから送信される超音波が被検体内で反射した超音波エコーによる反射波を受信することにより、被検体内の音響特性に関する分布を取得することもできる。この音響特性に関する分布は、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布を含む。ただし、超音波の送受信や音響特性に関する分布を取得することは必須ではない。 In addition to the reception of photoacoustic waves, the distribution of the acoustic characteristics in the subject is obtained by receiving the reflected waves from the ultrasonic echoes reflected by the ultrasound transmitted from the probe including the transducer in the subject. You can also The distribution relating to the acoustic characteristics includes a distribution reflecting the difference in acoustic impedance of the tissue inside the subject. However, it is not essential to acquire distributions related to transmission / reception of ultrasonic waves and acoustic characteristics.
図11(a)は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置を示したものである。光源2010から発振したパルス光は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材2012を介して、被検体2014に照射される。被検体2014の内部にある光吸収体2016は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波2018を発生する。プローブ(探触子)2022内の本発明の静電容量型トランスデューサ2020は、光音響波2018を受信して電気信号に変換し、信号処理部2024に出力する。信号処理部2024は、入力された電気信号に対して、A/D変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部2026へ出力する。データ処理部2026は、入力された信号を用いて被検体情報(光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した特性情報)を画像データとして取得する。ここでは、信号処理部2024とデータ処理部2026を含めて、処理部という。表示部2028は、データ処理部2026から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。以上のように、本例の被検体の情報取得装置は、本発明の静電容量型のトランスデューサと、該トランスデューサが出力する電気信号を用いて被検体の情報を取得する処理部と、を有し、トランスデューサは、被検体からの音響波を受信し、電気信号を出力する。
FIG. 11A shows an object information acquisition apparatus using a photoacoustic effect. Pulse light oscillated from the light source 2010 is irradiated onto the subject 2014 via an optical member 2012 such as a lens, a mirror, or an optical fiber. The light absorber 2016 inside the subject 2014 absorbs the energy of the pulsed light and generates a
図11(b)は、音響波の反射を利用した超音波エコー診断装置等の被検体情報取得装置を示したものである。プローブ(探触子)2122内の本発明の静電容量型トランスデューサ2120から被検体2114へ送信された音響波は、反射体2116により反射される。トランスデューサ2120は、反射された音響波(反射波)2118を受信して電気信号に変換し、信号処理部2124に出力する。信号処理部2124は、入力された電気信号に対して、A/D変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部2126へ出力する。データ処理部2126は、入力された信号を用いて被検体情報(音響インピーダンスの違いを反映した特性情報)を画像データとして取得する。ここでも、信号処理部2124とデータ処理部2126を含めて、処理部という。表示部2128は、データ処理部2126から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。以上のように、本例の被検体の情報取得装置は、本発明の静電容量型のトランスデューサと、光源と、データ処理装置と、を有する。そして、トランスデューサは、光源から発振した光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して電気信号に変換し、データ処理装置は、電気信号を用いて被検体の情報を取得する。
FIG. 11B shows a subject information acquiring apparatus such as an ultrasonic echo diagnostic apparatus that uses reflection of acoustic waves. The acoustic wave transmitted from the capacitive transducer 2120 of the present invention in the probe (probe) 2122 to the subject 2114 is reflected by the
なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの(ハンドヘルド型)であってもよい。また、図11(b)のように反射波を用いる装置の場合、音響波を送信するプローブは受信するプローブと別に設けても良い。さらに、図11(a)と図11(b)の装置の機能をどちらも兼ね備えた装置とし、被検体の光学特性値を反映した被検体情報と、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報と、をどちらも取得するようにしてもよい。この場合、図11(a)のトランスデューサ2020が光音響波の受信だけでなく、音響波の送信と反射波の受信を行うようにしてもよい。
Note that the probe may be mechanically scanned, or may be a probe (handheld type) that a user such as a doctor or engineer moves with respect to the subject. In the case of an apparatus using a reflected wave as shown in FIG. 11B, a probe that transmits an acoustic wave may be provided separately from a probe that receives the acoustic wave. Further, the apparatus has both the functions of the apparatus of FIG. 11A and FIG. 11B, and the object information reflecting the optical characteristic value of the object and the object information reflecting the difference in acoustic impedance are provided. Both of them may be acquired. In this case, the
101・・グランド電位(基準電位)、102、103・・バイアス電源、104a、104b、105a、105b・・電気エレメント、108、109・・差動増幅器、110、111・・出力端子、106a、106b、107a、107b・・IV変換器 101..Ground potential (reference potential), 102, 103..Bias power supply, 104a, 104b, 105a, 105b..Electric element, 108, 109..Differential amplifier, 110, 111..Output terminal, 106a, 106b 107a, 107b, IV converter
Claims (8)
前記複数の電気エレメントのうちの一対以上の電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性が、対をなす他方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に印加されるバイアス電圧の極性に対して、基準電位を挟んで逆であり、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記電気エレメントからの信号を得ることを特徴とするトランスデューサ。 An electrostatic capacitance type comprising a plurality of electric elements each having one or more cells each having a vibration film including a first electrode and a second electrode provided to face the first electrode through a cavity A transducer,
In one or more electric elements of the plurality of electric elements, the polarity of the bias voltage applied between the first electrode and the second electrode of one electric element forming the pair is the other forming the pair The polarity of the bias voltage applied between the first electrode and the second electrode of the electrical element is opposite to the reference potential,
A transducer characterized by taking a difference between an output signal of one electric element forming the pair and an output signal of the other electric element forming the pair and obtaining a signal from the electric element by an acoustic wave.
前記複数の電気エレメントのうちの一対以上の前記電気エレメントにおいて、対をなす一方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間と、対をなす他方の電気エレメントの前記第一の電極と前記第二の電極の間に、それぞれ、基準電位を挟んで極性が互いに逆であるバイアス電圧を印加し、
前記対をなす一方の電気エレメントの出力信号と、前記対をなす他方の電気エレメントの出力信号の差分をとって、音響波による前記エレメントからの信号を得ることを特徴とする駆動方法。 An electrostatic capacitance type comprising a plurality of electric elements each having one or more cells each having a vibration film including a first electrode and a second electrode provided to face the first electrode through a cavity A transducer driving method comprising:
In the one or more electric elements of the plurality of electric elements, between the first electrode and the second electrode of one electric element making a pair, and the first electric electrode of the other electric element making a pair A bias voltage having opposite polarities across a reference potential is applied between the electrode and the second electrode,
A driving method comprising: obtaining a signal from the element by an acoustic wave by taking a difference between an output signal of the one electric element forming the pair and an output signal of the other electric element forming the pair.
前記トランスデューサは、被検体からの音響波を受信し、前記電気信号を出力することを特徴とする被検体情報取得装置。 The capacitive transducer according to any one of claims 1 to 4, and a processing unit that acquires information on a subject using an electrical signal output from the transducer,
2. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the transducer receives an acoustic wave from an object and outputs the electric signal.
前記トランスデューサは、前記光源から発振した光が被検体に照射されることにより発生する光音響波を受信して電気信号に変換し、
前記データ処理装置は、前記電気信号を用いて被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。 The capacitive transducer according to any one of claims 1 to 4, a light source, and a data processing device,
The transducer receives a photoacoustic wave generated by irradiating the subject with light oscillated from the light source, converts the photoacoustic wave into an electrical signal,
2. The object information acquiring apparatus according to claim 1, wherein the data processing apparatus acquires object information using the electrical signal.
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