JP2015097733A

JP2015097733A - 超音波デバイスおよびその製造方法並びに電子機器および超音波画像装置

Info

Publication number: JP2015097733A
Application number: JP2013240276A
Authority: JP
Inventors: 清瀬　摂内; Setsunai Kiyose; 摂内清瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-05-28
Also published as: CN104644211B; US9818929B2; TWI649904B; CN104644211A; US20180047891A1; US10707407B2; TW201521248A; US20150141827A1

Abstract

【課題】隣接する振動膜の間でクロストークを効果的に防止することができる超音波デバイスは提供される。
【解決手段】基板４４は複数の開口４６を区画する。隣接する開口４６は仕切り壁４７で仕切られる。開口４６は個々に振動膜２４で塞がれる。振動膜２４上には圧電素子が形成される。開口４６内に音響整合層５５が配置される。音響整合層５５に音響レンズ５６が接合される。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波デバイスおよびその製造方法、並びに、それを利用したプローブ、電子機器および超音波画像装置等に関する。

薄膜の振動膜を利用した超音波デバイスは一般に知られる。例えば特許文献１に記載されるように、シリコン酸化物やシリコン窒化物の振動膜の表面に圧電素子は形成される。振動膜の表面には圧電素子を囲む構造体が配置される。振動膜の裏面が対象物に向き合わせられる。したがって、振動膜の裏面から超音波は発信される。

特表２０１０−５３９４４２号公報

特許文献１では圧電素子の形成にあたって振動膜の裏面は基板の表面に支持される。圧電素子の形成後、基板はエッチングで除去される。振動膜の裏面は平らな面で形成される。振動膜と対象物との間に音響整合層や音響結合材が介在すると、隣接する振動膜の間でクロストークが生じてしまう。

そして、隣接する振動膜の間でクロストークを効果的に防止することができる超音波デバイスが望まれていた。

（１）本発明の一態様は、第１開口および第２開口と、前記第１開口および前記第２開口を仕切る壁部と、を有する基板と、前記第１開口および前記第２開口のそれぞれを塞ぐ第１振動膜および第２振動膜と、前記第１振動膜および前記第２振動膜のそれぞれの前記基板とは反対側の面上に形成された第１圧電素子および第２圧電素子と、前記第１振動膜および前記第２振動膜に接するように前記第１開口内および前記第２開口内に配置される音響整合層とを備える超音波デバイスに関する。

壁部は音響整合層を仕切る。第１振動膜に接する音響整合層と第２振動膜に接する音響整合層とは壁部で分断される。こうして音響整合層を伝搬する超音波のクロストークを防止することができる。

（２）前記第１開口は複数であって列状に配列され、前記第２開口は複数であって前記第１開口の配列に並列な列状に配列されてもよい。この態様によれば列状の第１開口に対応して列状の第１圧電素子には共通に電極を接続することができる。同様に、列状の第２開口に対応して列状の第２圧電素子には共通に電極を接続することができる。こうして列状の第１圧電素子は同時に動作することができ、列状の第２圧電素子は同時に動作することができる。そして第１圧電素子群と第２圧電素子群との間で音響整合層を伝搬する超音波のクロストークを防止することができる。

（３）前記壁部は、前記基板の厚み方向に関して第１高さの第１壁部と、第１高さよりも高い第２高さの第２壁部とを有してもよい。こうして第１壁部および第２壁部は個別に機能を担うことができる。

（４）超音波デバイスは、前記第２壁部に接して前記音響整合層に結合される音響レンズをさらに備えてもよい。この態様によれば超音波デバイスの使用にあたって音響整合層には音響レンズが結合される。音響レンズは第１振動膜や第２振動膜から発信される超音波振動を焦点位置に収束することができる。音響レンズは第１振動膜および第２振動膜に対して第２壁部で位置決めされる。こうして音響レンズと第１振動膜および第２振動膜との間で音響整合層の厚みは決定される。第２壁部の高さで音響整合層の厚みを調整することができる。超音波の伝搬に最適な厚みを設定することができる。しかも、音響レンズが被検体に押し当てられても、音響整合層の変形を極力防止することができる。音響整合層の厚みを維持することができる。

（５）前記音響レンズと前記第１壁部との間には前記音響整合層が配置されてもよい。この態様によれば音響整合層は音響レンズと第１壁部との接着に寄与する。したがって、壁部の配置に拘わらず音響整合層と音響レンズとの密着面積の減少をできる限り抑制することができる。音響レンズと音響整合層との結合を安定化することができる。

（６）超音波デバイスは、前記基板の厚み方向からの平面視において前記第１開口および前記第２開口を連続して囲み、前記基板の厚み方向に関して前記壁部よりも高い外枠を備えてもよい。この態様によれば音響整合層の形成にあたって音響整合層の素材を流動体として第１開口や第２開口に流し込むことができる。また外枠は第１開口や第２開口から溢れる素材を堰き止めることができる。こうして全ての第１開口および第２開口に確実に素材を流し込むことができる。

（７）前記第１振動膜は第１共振周波数を有し、前記第２振動膜は前記第１共振周波数とは相違する第２共振周波数を有してもよい。振動膜は共振周波数の帯域で超音波に対して最大の感度を示す。したがって、振動膜ごとに相違する帯域の超音波を受信できる。こうして発信周波数の高調波成分を検出することができる。あるいは、超音波の受信帯域を拡大することができる。

（８）前記音響整合層は前記第１開口および前記第２開口で等しい厚みを有してもよい。一般に、音響整合層の厚みは超音波の波長の４分の１の奇数倍に相当する。したがって、第１共振周波数と第２共振周波数との間に高調波の関係が成立する場合には、第１開口および第２開口で等しい厚みが設定されても音響整合を実現することができる。

（９）前記音響整合層は前記第１開口および前記第２開口で異なる厚みを有してもよい。一般に、音響整合層の厚みは超音波の波長の４分の１の奇数倍に相当する。音響整合層の厚みを第１開口および第２開口ごとに最適化することができる。

（１０）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用できる。このとき、プローブは、超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えればよい。

（１１）超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用できる。このとき、電子機器は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えればよい。

（１２）超音波デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用できる。このとき、超音波画像装置は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えればよい。

（１３）本発明の他の態様は、第１面に膜材を有する基板の前記膜材の表面に第１圧電素子および第２圧電素子を形成する工程と、前記第１面の裏側の第２面から前記基板に、相互に壁部で仕切られる第１開口および第２開口を形成し、前記第１圧電素子を支持する第１振動膜、および、前記第２圧電素子を支持する第２振動膜を前記膜材に形成する工程と、前記第１開口および前記第２開口に音響整合層の素材の流動体を流し込む工程と、流し込まれた前記流動体に音響レンズを被せ、前記流動体を硬化させて前記音響レンズを接着する工程とを備える超音波デバイスの製造方法に関する。

製造された超音波デバイスでは壁部は音響整合層を仕切る。第１振動膜に接する音響整合層と第２振動膜に接する音響整合層とは壁部で分断される。こうして音響整合層を伝搬する超音波のクロストークを防止することができる。音響整合層の形成にあたって素材の流動体が第１開口および第２開口に単純に流し込まれればよく、製造工程は簡素化することができる。音響整合層は確実に第１振動膜および第２振動膜並びに音響レンズに密着する。

（１４）前記壁部は、前記基板の厚み方向に関して第１高さの第１壁部と、第１高さよりも高い第２高さの第２壁部とを有してもよい。この態様によれば音響レンズは第２壁部に接触する。音響レンズは第１振動膜および第２振動膜に対して第２壁部で位置決めされる。このとき、音響レンズと第１壁部との間には音響整合層が介在することができる。音響整合層は音響レンズと第１壁部との接着に寄与することができる。

（１５）前記第１開口および前記第２開口の形成にあたって、前記膜材の平らな前記表面から第１膜厚の前記第１振動膜、および、第２膜厚の前記第２振動膜を形成してもよい。この態様によれば流し込まれた流動体の表面は平らに広がる。したがって、流動体の厚みは、第１振動膜に対応する部位と第２振動膜に対応する部位とで相違する。こうして音響整合層の厚みを制御することができる。

電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置を概略的に示す外観図である。超音波プローブの拡大正面図である。第１実施形態に係る超音波デバイスの拡大平面図である。図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。超音波デバイスの製造方法であって圧電素子を形成する工程までを概略的に示す拡大断面図である。超音波デバイスの製造方法であって開口を形成する工程を概略的に示す拡大断面図である。超音波デバイスの製造方法であって音響整合層の素材を流し込む工程を概略的に示す拡大断面図である。超音波デバイスの製造方法であって音響レンズを接着する工程を概略的に示す拡大断面図である。図４に対応し、第２実施形態に係る超音波デバイスの拡大断面図である。図４に対応し、第３実施形態に係る超音波デバイスの拡大断面図である。第４実施形態に係る超音波デバイスの拡大部分平面図である。図１１のＢ−Ｂ線に沿った部分断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）超音波診断装置の全体構成
図１は電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理装置）１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル（表示装置）１５が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。

図２に示されるように、超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波デバイス１７が収容される。超音波デバイス１７の表面は筐体１６の表面で露出することができる。超音波デバイス１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。その他、超音波プローブ１３は、プローブ本体１３ａに着脱自在に連結されるプローブヘッド１３ｂを備えることができる。このとき、超音波デバイス１７はプローブヘッド１３ｂの筐体１６内に組み込まれることができる。

（２）第１実施形態に係る超音波デバイスの構成
図３は第１実施形態に係る超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体２１を備える。基体２１には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２は超音波トランスデューサー素子（以下「素子」という）２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。

個々の素子２３は振動膜２４を備える。振動膜２４の詳細は後述される。図３では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。振動膜２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５では、後述されるように、上電極２６および下電極２７の間に圧電体膜２８が挟まれる。これらは順番に重ねられる。超音波デバイス１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップとして構成される。

基体２１の表面には複数本の第１導電体２９が形成される。第１導電体２９は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第１導電体２９が割り当てられる。１本の第１導電体２９は配列の列方向に並ぶ素子２３に共通に配置される。第１導電体２９は個々の素子２３ごとに下電極２７を形成する。第１導電体２９には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第１導電体２９にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体２１の表面には複数本の第２導電体３１が形成される。第２導電体３１は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第２導電体３１が割り当てられる。１本の第２導電体３１は配列の行方向に並ぶ素子２３に共通に接続される。第２導電体３１は個々の素子２３ごとに上電極２６を形成する。第２導電体３１の両端は１対の引き出し配線３２にそれぞれ接続される。引き出し配線３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、全ての第２導電体３１は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の素子２３に共通に上電極２６は接続される。第２導電体３１は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されることができる。ただし、第２導電体３１にはその他の導電材が利用されてもよい。

列ごとに素子２３の通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてリニアスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の素子２３は同時に超音波を出力することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されることができる。行数は例えば１０〜１５行程度に設定されればよい。図中では省略されて５行が描かれる。配列の列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定されることができる。列数は例えば１２８列や２５６列に設定されればよい。図中では省略されて８列が描かれる。上電極２６および下電極２７の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の素子２３に共通に下電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に上電極が接続されてもよい。

基体２１の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂを有する。第１辺２１ａと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３３ａが配置される。第２辺２１ｂと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ３３ｂが配置される。第１端子アレイ３３ａは第１辺２１ａに平行に１ラインを形成することができる。第２端子アレイ３３ｂは第２辺２１ｂに平行に１ラインを形成することができる。第１端子アレイ３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３６および複数の下電極端子３７で構成される。１本の引き出し配線３２の両端にそれぞれ上電極端子３４、３６は接続される。引き出し配線３２および上電極端子３４、３６は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。１本の第２導電体３１の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電体３１および下電極端子３５、３７は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。ここでは、基体２１の輪郭は矩形に形成される。基体２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。

基体２１には第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）３８が連結される。第１配線板３８は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板３８の一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３９が形成される。第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基体２１には第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）４１が覆い被さる。第２配線板４１は第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板４１の一端には上電極端子３６および下電極端子３７に個別に対応して導電線すなわち第２信号線４２が形成される。第２信号線４２は上電極端子３６および下電極端子３７に個別に向き合わせられ個別に接合される。

図４に示されるように、基体２１は基板４４および可撓膜４５を備える。基板４４の表面に可撓膜４５が一面に形成される。基板４４は例えばシリコン（Ｓｉ）から形成される。基板４４には個々の素子２３ごとに開口４６が形成される。開口４６は基板４４に対してアレイ状に配置される。開口４６が配置される領域の輪郭は素子アレイ２２の輪郭に相当する。隣接する２つの開口４６の間には仕切り壁４７が区画される。隣接する開口４６は仕切り壁４７で仕切られる。仕切り壁４７の壁厚みは開口４６の間隔に相当する。仕切り壁４７は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みは２つの壁面の距離に相当する。すなわち、壁厚みは壁面に直交して壁面の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。

可撓膜４５は、基板４４の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層５１と、酸化シリコン層５１の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層５２とで構成される。可撓膜４５は開口４６を塞ぐ。こうして開口４６の輪郭に対応して可撓膜４５の一部が振動膜２４を形成する。振動膜２４は、可撓膜４５のうち、開口４６に臨むことから基板４４の厚み方向に膜振動することができる部分である。酸化シリコン層５１の膜厚は共振周波数に基づき決定されることができる。

振動膜２４の表面に第１導電体２９、圧電体膜２８および第２導電体３１が順番に積層される。圧電体膜２８は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。圧電体膜２８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜２８は下電極２７の少なくとも一部および振動膜２４の一部を覆う。上電極２６は圧電体膜２８の少なくとも一部を覆う。ここでは、第２導電体３１の下で圧電体膜２８は完全に第１導電体２９の表面を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電体２９と第２導電体３１との間で短絡は回避されることができる。

基板４４の表面では可撓膜４５上にバッキング材５３が取り付けられる。バッキング材５３は可撓膜４５の表面との間に空間を形成する。空間内に圧電素子２５が配置される。バッキング材５３は壁材５４で可撓膜４５の表面に支持される。壁材５４はバッキング材５３と可撓膜４５の表面との間で間隔を維持する。壁材５４は開口４６の輪郭の外側で基板４４に支持される。

基板４４では表面の裏側の裏面に音響整合層５５が積層される。音響整合層５５は基板４４の裏面に被さると同時に開口４６内に配置される。音響整合層５５は開口４６内で振動膜２４に接する。音響整合層５５は振動膜２４に隙間なく密着する。音響整合層５５には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。仕切り壁４７の音響インピーダンスは音響整合層５５の音響インピーダンスよりも大きい。

音響整合層５５上には音響レンズ５６が積層される。音響レンズ５６は音響整合層５５の表面に隙間なく密着する。音響レンズ５６の外表面は部分円筒面で形成される。部分円筒面は第２導電体３１に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、１筋の第２導電体３１に接続される１列の素子２３から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。音響レンズ５６は例えばシリコーン樹脂から形成される。

（２）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波の送信にあたって圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。振動膜２４の超音波振動は音響整合層５５中を伝搬する。超音波振動は音響整合層５５から音響レンズ５６に伝わって音響レンズ５６から発信される。その結果、対象物（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波ビームは発せられる。

超音波の反射波は音響レンズ５６および音響整合層５５を伝搬して振動膜２４を振動させる。振動膜２４の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜２８を超音波振動させる。圧電素子２５の圧電効果に応じて圧電素子２５から電圧が出力される。個々の素子２３では上電極２６と下電極２７との間で電位が生成される。電位は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６から電気信号として出力される。こうして超音波は検出される。

超音波の送信および受信は繰り返される。その結果、リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。スキャンが完了すると、出力信号のデジタル信号に基づき画像が形成される。形成された画像はディスプレイパネル１５の画面に表示される。

一般に、超音波画像の形成にあたって超音波プローブ１３は被検体に押し当てられる。このとき、被検体と音響レンズ５６との間には流動性の音響結合材が介在する。音響結合材には例えば水が利用されることができる。音響結合材の働きで被検体と音響レンズ５６との間で音響整合が確立され、界面での超音波の反射は防止されることができる。圧電素子２５、第１導電体２９や第２導電体３１といった配線パターンその他は基体２１の表側に配置されることから、圧電素子２５や配線パターンは可撓膜４５で音響結合材から隔てられることができる。こうして圧電素子２５や配線パターンは水分から保護されることができる。したがって、可撓膜４５には防湿性を有する素材が用いられればよい。

超音波の送信にあたって振動膜２４は超音波振動する。超音波振動は音響整合層５５内を伝搬して音響整合層５５の界面から発信される。超音波振動は界面を横切って音響レンズ５６に伝搬する。このとき、隣接する振動膜２４の間では音響整合層５５は仕切り壁４７で仕切られる。個々の振動膜２４に接する音響整合層５５は仕切り壁４７で分断される。音響整合層５５の音響インピーダンスと仕切り壁４７の音響インピーダンスとの差に応じて隣接する音響整合層５５の間で音響的に界面が形成される。界面は超音波振動の伝達を防止する。１つの振動膜２４の超音波振動時に超音波のクロストークは防止される。仮に仕切り壁４７が形成されずに素子２３相互で音響整合層５５が共通に広がると、１素子２３から発信される超音波振動は音響整合層５５および音響レンズ５６の界面から反射して他の素子２３の振動膜２４に伝播してしまう。

超音波デバイス１７では１列の素子２３群は共通に第１導電体２９に接続される。１列の開口４６に対応して１列の圧電素子２５には共通に電極が接続されることができる。こういった開口４６の列が並列に配列される。圧電素子２５は列ごとに同時に動作することができる。少なくとも列同士の間で隣接する開口４６の間に仕切り壁４７が形成されることから、１列の圧電素子２５群と隣接する列の圧電素子２５群との間で音響整合層５５を伝搬する超音波のクロストークは防止されることができる。

（３）超音波デバイスの製造方法
次に、超音波デバイス１７の製造方法を簡単に説明する。図５に示されるように、基板６１が用意される。基板６１は例えばシリコンから形成される。基板６１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。基板６１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化膜は均一な膜厚を有する。こうして基板６１から基板４４および酸化シリコン層５１が形成される。酸化シリコン層５１の表面には一面に酸化ジルコニウム層５２が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。ジルコニウム膜が均一な膜厚で形成される。ジルコニウム膜には酸化処理が施される。こうして酸化ジルコニウム層５２は均一な膜厚で形成される。酸化シリコン層５１と酸化ジルコニウム層５２との積層で膜材６２は確立される。膜材６２は可撓膜４５に相当する。

その後、膜材６２の表面には圧電素子２５が形成される。例えば、酸化ジルコニウム層５２の表面に一面に導電材の素材層が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。素材層は均一な膜厚に形成される。素材層の表面にフォトレジストのパターンが形成される。パターンは第１導電体２９の形状を象る。素材層の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層から第１導電体２９が形成される。同様に、膜材６２の表面には圧電体膜２８および上電極２６（第２導電体３１）が形成される。

こうして圧電素子２５のほか、第１導電体２９、第２導電体３１、上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７が形成されると、図６に示されるように、基板４４には基板６１の裏面（第２面）６１ｂから開口４６が形成される。形成にあたって基板４４は裏面からエッチング処理に曝される。基板６１の裏面６１ｂにはフォトレジスト６３のパターンが形成される。パターンは開口４６の輪郭を象る。エッチング処理に応じてフォトレジスト６３の外側で基板６１の裏面６１ｂが彫り込まれる。このとき、酸化シリコン層５１はエッチングストップ層として機能する。その結果、開口４６で膜材６２に振動膜２４が確立される。

その後、図７に示されるように、開口４６には音響整合層５５の素材６４の流動体が流し込まれる。素材６４は流動性を有することから、素材６４は開口４６内の空間を満たす。素材６４は振動膜２４に満遍なく接触する。ここでは、素材６４の流動体は基板６１の裏面６１ｂに一様に広がる。基板６１の裏面６１ｂで一面に素材６４の平らな表面が広がる。

図８に示されるように、流し込まれた素材６４の流動体に音響レンズ５６が被せられる。素材６４は流動性を有することから、素材６４は音響レンズ５６に満遍なく接触する。その後、流動体には硬化処理が施される。流動体の硬化に応じて音響整合層５５が確立される。音響レンズ５６は音響整合層５５に接着される。音響整合層５５は確実に振動膜２４および音響レンズ５６に密着する。密着に応じて確実な超音波の伝搬が確立される。

その後、基板４４には第１配線板３８および第２配線板４１が接合される。第１配線板３８および第２配線板４１が実装されると、基板６１の表面にバッキング材５３が接合される。こうして超音波デバイス１７は製造される。

（４）第２実施形態に係る超音波デバイスの構成
図９は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの断面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ａでは仕切り壁４７は基板の厚み方向に関して第１高さＨ１の第１壁４７ａと第２高さＨ２の第２壁４７ｂとを有する。第２高さＨ２は第１高さＨ１よりも高い。第１高さＨ１および第２高さＨ２は可撓膜４５の表面に対して直交方向に酸化シリコン層５１の裏面から測定されればよい。ここでは、第１高さＨ１および第２高さＨ２は基板４４の厚みに相当する。音響レンズ５６は第２壁４７ｂの頂上面に接する。音響レンズ５６と第１壁４７ａとの間には音響整合層５５が配置される。その他、超音波デバイス１７ａは第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様な構成を有する。

超音波デバイス１７ａでは音響レンズ５６は振動膜２４に対して第２壁４７ｂで位置決めされる。こうして音響レンズ５６と振動膜２４との間で音響整合層５５の厚みは決定される。第２壁４７ｂの高さで音響整合層５５の厚みは調整されることができる。超音波の伝搬に最適な厚みは設定されることができる。しかも、音響レンズ５６が被検体に押し当てられても、音響整合層５５の変形は極力防止されることができる。音響整合層５５の厚みは維持されることができる。

前述のように音響整合層５５は音響レンズ５６の接着剤として機能する。音響整合層５５は第１壁４７ａと音響レンズ５６との間に挟まれることから、音響整合層５５は音響レンズ５６と第１壁４７ａとの接着に寄与する。仕切り壁４７の配置に拘わらず音響整合層５５と音響レンズ５６との密着面積の減少はできる限り抑制されることができる。音響レンズ５６と音響整合層５５との結合は安定化することができる。

超音波デバイス１７ａの製造では開口４６の形成にあたって基板６１の裏面６１ｂはエッチング処理に曝される。このとき、第２壁４７ｂに相当する部位でエッチング処理が抑制されれば、第２壁４７ｂの第２高さＨ２は確立されることができる。音響レンズ５６の接着にあたって音響レンズ５６は第２壁４７ｂの頂上面に押し当てられる。第２壁４７ｂは音響レンズ５６を位置決めする。

（５）第３実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１０は第３実施形態に係る超音波デバイス１７ｂの断面図を概略的に示す。超音波デバイス１７ｂでは基板４４の裏面に全ての開口４６を連続して囲む外枠が形成される。外枠の高さは仕切り壁４７の高さよりも高い。外枠に音響レンズ５６が受け止められる。したがって、外枠は音響レンズ５６を位置決めする。外枠の内側には音響整合層５５が配置される。音響整合層５５は開口４６を満たす。音響整合層５５は音響レンズ５６と仕切り壁４７との接着に寄与する。仕切り壁４７の配置に拘わらず音響整合層５５と音響レンズ５６との密着面積の減少はできる限り抑制されることができる。音響レンズ５６と音響整合層５５との結合は安定化することができる。

超音波デバイス１７ｂの製造では開口４６の形成にあたって基板６１の裏面６１ｂはエッチング処理に曝される。このとき、外枠６５に相当する部位でエッチング処理が抑制されれば、外枠６５の高さは確立されることができる。音響レンズ５６の接着にあたって音響整合層５５の素材は流動体として開口４６に流し込まれる。外枠６５は開口４６から溢れ出る素材を堰き止めることができる。こうして全ての開口４６に確実に素材は流し込まれることができる。音響レンズ５６は外枠６５に押し当てられる。外枠６５は音響レンズ５６を位置決めする。

（６）第４実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１１は第４実施形態に係る超音波デバイス１７ｃの拡大部分平面図である。超音波デバイス１７ｃの素子アレイ２２は第１超音波トランスデューサー素子（以下「第１素子」という）７１ａおよび第２超音波トランスデューサー素子（以下「第２素子」という）７１ｂの配列で構成される。ここでは、第１素子７１ａおよび第２素子７１ｂは列方向に交互に配置される。ただし、第１素子７１ａおよび第２素子７１ｂの配列はこれに限定されるものではない。

第１素子７１ａは第１振動膜７２ａを備える。第２素子７１ｂは第２振動膜７２ｂを備える。図１１では第１振動膜７２ａおよび第２振動膜７２ｂの膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で第１振動膜７２ａおよび第２振動膜７２ｂの輪郭が点線で描かれる。第１振動膜７２ａ上には第１圧電素子７３ａが形成される。第２振動膜７２ｂ上には第２圧電素子７３ｂが形成される。第１圧電素子７３ａでは上電極７４および下電極７５の間に圧電体膜７６が挟まれる。これらは順番に重ねられる。同様に、第２圧電素子７３ｂでは、上電極７７および下電極７８の間に圧電体膜７９が挟まれる。これらは順番に重ねられる。１列の第１素子７１ａおよび第２素子７１ｂの下電極７５、７８に共通に第１導電体２９が連なる。１行の第１素子７１ａまたは１行の第２素子７１ｂごとに共通に上電極７４、７７に第２導電体３１が連なる。ここでは、第１振動膜７２ａの大きさ（面積）と第２振動膜７２ｂの大きさ（面積）とは相違する。第１振動膜７２ａの大きさは第１共振周波数に依存する。第２振動膜７２ｂの大きさは第２共振周波数に依存する。ここでは、第２共振周波数は第１共振周波数の高調波に相当する。ただし、それ以外の周波数の組み合わせが用いられてもよい。

図１２に示されるように、基板４４には個々の第１素子７１ａに対応して第１開口７８ａが形成され個々の第２素子７１ｂに対応して第２開口７８ｂが形成される。第１開口７８ａでは音響整合層５５は第１厚みｔ１を有する。第２開口７８ｂでは音響整合層５５は第２厚みｔ２を有する。第１厚みｔ１と第２厚みｔ２とは相違する。第１厚みｔ１は第１振動膜７２ａの第１共振周波数に応じて決定される。第２厚みｔ２は第２振動膜７２ｂの第２共振周波数に応じて決定される。こうして第１振動膜７２ａおよび第２振動膜７２ｂごとに音響整合層５５の厚みｔ１、ｔ２は最適化される。ここでは、音響整合層５５の厚みｔ１、ｔ２の設定にあたって第１振動膜７２ａは第１膜厚ｐ１を有し第２振動膜７２ｂは第２膜厚ｐ２を有する。第２膜厚ｐ２は第１膜厚ｐ１よりも大きい。

超音波デバイス１７ｃの製造では膜材６２の形成にあたって基板６１の表面に酸化膜が形成される。基板６１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。このとき、領域ごとに酸化量が調整されると、酸化膜の膜厚は領域ごとに設定されることができる。こうして第２振動膜７２ｂに相当する領域で酸化膜の膜厚は増大することができる。第１膜厚ｐ１および第２膜厚ｐ２を有する膜材６２は形成されることができる。その後、基板６１の裏面から第１開口７８ａおよび第２開口７８ｂが形成されると、第１開口７８ａおよび第２開口７８ｂでは基板６１の裏面から相違する位置で酸化シリコン層５１がエッチングストップ層として機能することから、第１開口７８ａは第１厚みｔ１に相当する深さに形成され、第２開口７８ｂは第２厚みｔ２に相当する深さに形成される。第１開口７８ａおよび第２開口７８ｂに流し込まれた素材６４の表面は平らに広がる。したがって、流動体の厚みは、第１振動膜７２ａに対応する部位と、第２振動膜７２ｂに対応する部位とで相違する。こうして音響整合層５５の厚みｔ１、ｔ２は制御されることができる。

その一方で、前述の実施形態で示されたように、第１開口７８ａや第２開口７８ｂで音響整合層５５の厚みは等しく設定されてもよい。一般に、音響整合層５５の厚みは超音波の波長の４分の１の奇数倍に相当する。したがって、第１共振周波数と第２共振周波数との間に高調波の関係が成立する場合には、第１開口７８ａおよび第２開口７８ｂで等しい厚みが設定されても音響整合は実現されることができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、装置端末１２や超音波プローブ１３、筐体１６、ディスプレイパネル１５等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２処理装置（装置端末）、１３プローブ（超音波プローブ）、１５表示装置（ディスプレイパネル）、１６筐体、１７超音波デバイス、１７ａ超音波デバイス、１７ｂ超音波デバイス、１７ｃ超音波デバイス、２４第１振動膜および第２振動膜（振動膜）、２５第１圧電素子および第２圧電素子（圧電素子）、４４基板、４６第１開口および第２開口（開口）、４７壁部（仕切り壁）、４７ａ第１壁部（第１壁）、４７ｂ第２壁部（第２壁）、５５音響整合層、５６音響レンズ、６１基板、６１ｂ第２面（裏面）、６２膜材、６４素材、６５外枠、７２ａ第１振動膜、７２ｂ第２振動膜、７３ａ第１圧電素子、７３ｂ第２圧電素子、７８ａ第１開口、７８ｂ第２開口、Ｈ１第１高さ、Ｈ２第２高さ、ｔ１第１厚み、ｔ２第２厚み、ｐ１第１膜厚、ｐ２第２膜厚。

Claims

第１開口および第２開口と、前記第１開口および前記第２開口を仕切る壁部と、を有する基板と、
前記第１開口および前記第２開口のそれぞれを塞ぐ第１振動膜および第２振動膜と、
前記第１振動膜および前記第２振動膜のそれぞれの前記基板とは反対側の面上に形成された第１圧電素子および第２圧電素子と、
前記第１振動膜および前記第２振動膜に接するように前記第１開口内および前記第２開口内に配置される音響整合層と、
を備えることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１開口は複数であって列状に配列され、前記第２開口は複数であって前記第１開口の配列に並列な列状に配列されることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１または２に記載の超音波デバイスにおいて、前記壁部は、前記基板の厚み方向に関して第１高さの第１壁部と、第１高さよりも高い第２高さの第２壁部とを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項３に記載の超音波デバイスにおいて、前記第２壁部に接して前記音響整合層に結合される音響レンズをさらに備えることを特徴とする超音波デバイス。
請求項３または４に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響レンズと前記第１壁部との間には前記音響整合層が配置されることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記基板の厚み方向からの平面視において前記第１開口および前記第２開口を連続して囲み、前記基板の厚み方向に関して前記壁部よりも高い外枠を備えることを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波デバイスにおいて、前記第１振動膜は第１共振周波数を有し、前記第２振動膜は前記第１共振周波数とは相違する第２共振周波数を有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項７に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層は前記第１開口および前記第２開口で等しい厚みを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項７に記載の超音波デバイスにおいて、前記音響整合層は前記第１開口および前記第２開口で異なる厚みを有することを特徴とする超音波デバイス。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えることを特徴とする電子機器。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像装置。
第１面に膜材を有する基板の前記膜材の表面に第１圧電素子および第２圧電素子を形成する工程と、
前記第１面の裏側の第２面から前記基板に、相互に壁部で仕切られる第１開口および第２開口を形成し、前記第１圧電素子を支持する第１振動膜、および、前記第２圧電素子を支持する第２振動膜を前記膜材に形成する工程と、
前記第１開口および前記第２開口に音響整合層の素材の流動体を流し込む工程と、
流し込まれた前記流動体に音響レンズを被せ、前記流動体を硬化させて前記音響レンズを接着する工程と、
を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
請求項１３に記載の超音波デバイスの製造方法において、前記壁部は、前記基板の厚み方向に関して第１高さの第１壁部と、第１高さよりも高い第２高さの第２壁部とを有することを特徴とする超音波デバイスの製造方法。
請求項１３または１４に記載の超音波デバイスの製造方法において、前記第１開口および前記第２開口の形成にあたって、前記膜材の平らな前記表面から第１膜厚の前記第１振動膜、および、第２膜厚の前記第２振動膜を形成することを特徴とする超音波デバイスの製造方法。