JP2015100093A - Ultrasonic device and probe, and electronic apparatus and ultrasonic image device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波デバイス、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。 The present invention relates to an ultrasonic device, and a probe, an electronic apparatus, an ultrasonic imaging apparatus, and the like using the ultrasonic device.
超音波デバイスは一般に知られる。超音波デバイスは広く超音波画像の形成にあたって用いられる。例えば特許文献1に記載の超音波デバイスは受信する周波数ごとに2種類の圧電セラミック板を備える。圧電セラミック板ごとに音響整合層の膜厚は相違する。 Ultrasonic devices are generally known. Ultrasonic devices are widely used in forming ultrasonic images. For example, the ultrasonic device described in Patent Document 1 includes two types of piezoelectric ceramic plates for each received frequency. The thickness of the acoustic matching layer is different for each piezoelectric ceramic plate.
特許文献1では音響整合層の膜厚の設定にあたって音響負荷材の表面に段差が形成される。段ごとに音響負荷材に圧電セラミック板は貼り付けられる。一般に、貼り付けにはエポキシ樹脂といった接着剤が用いられる。その結果、音響整合層の表面から圧電セラミック板の表面までの距離にばらつきが生じやすい。周波数ごとに精度よく音響整合を実現することが難しかった。 In Patent Document 1, a step is formed on the surface of the acoustic load member when setting the film thickness of the acoustic matching layer. A piezoelectric ceramic plate is affixed to the acoustic load material for each step. Generally, an adhesive such as an epoxy resin is used for pasting. As a result, the distance from the surface of the acoustic matching layer to the surface of the piezoelectric ceramic plate tends to vary. It was difficult to achieve accurate acoustic matching for each frequency.
そこで、受信する超音波の周波数ごとに精度よく音響整合を実現する超音波デバイスが望まれていた。 Therefore, an ultrasonic device that achieves accurate acoustic matching for each frequency of received ultrasonic waves has been desired.
(1)本発明の一態様は、第1平面、および、前記第1平面を含む基準平面からその法線方向に特定距離で離れた第2平面、および、前記第1平面に開口する第1開口、および、前記第2平面に開口する第2開口を有する基板と、前記第1開口を閉塞する第1振動膜、および、第2開口を閉塞する第2振動膜を有し前記基板上に形成された被覆層と、前記第1振動膜上に形成された第1圧電素子と、前記第2振動膜上に形成された第2圧電素子と、前記第1圧電素子および前記第2圧電素子を覆い、前記第1平面および前記第2平面に平行な平面を有する音響整合層とを備える超音波デバイスに関する。 (1) According to one aspect of the present invention, a first plane and a second plane that is separated from the reference plane including the first plane by a specific distance in a normal direction thereof, and the first plane that opens to the first plane are provided. A substrate having an opening and a second opening that opens in the second plane; a first vibrating membrane that closes the first opening; and a second vibrating membrane that closes the second opening; The formed covering layer, the first piezoelectric element formed on the first vibration film, the second piezoelectric element formed on the second vibration film, the first piezoelectric element, and the second piezoelectric element And an acoustic matching layer having a plane parallel to the first plane and the second plane.
第1振動膜および第2振動膜には音響整合層から超音波が伝わる。超音波は第1振動膜および第2振動膜を振動させる。第1振動膜および第2振動膜の振動に応じて第1圧電素子および第2圧電素子で圧電効果が発揮される。第1圧電素子および第2圧電素子からそれぞれ起電圧が取り出される。こうして振動膜ごとに超音波は測定される。このとき、第1振動膜の第1圧電素子上で音響整合層の第1膜厚は特定され、第2振動膜の第2圧電素子上で音響整合層の第2膜厚は特定される。音響整合層の膜厚に応じて第1振動膜および第2振動膜に伝わる超音波の周波数は調整される。こうして第1振動膜および第2振動膜は異なる周波数の超音波を受信する。基板の表面で被覆膜および圧電素子を精度よく加工できることから、第1振動膜および第2振動膜では精度よく第1膜厚および第2膜厚を確保できる。したがって、超音波の周波数ごとに精度よく音響結合を実現することができる。 Ultrasonic waves are transmitted from the acoustic matching layer to the first vibration film and the second vibration film. The ultrasonic waves vibrate the first vibrating membrane and the second vibrating membrane. The piezoelectric effect is exhibited by the first piezoelectric element and the second piezoelectric element in accordance with the vibrations of the first vibration film and the second vibration film. Electromotive voltages are taken out from the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, respectively. In this way, ultrasonic waves are measured for each vibrating membrane. At this time, the first film thickness of the acoustic matching layer is specified on the first piezoelectric element of the first vibration film, and the second film thickness of the acoustic matching layer is specified on the second piezoelectric element of the second vibration film. The frequency of the ultrasonic wave transmitted to the first vibration film and the second vibration film is adjusted according to the film thickness of the acoustic matching layer. Thus, the first diaphragm and the second diaphragm receive ultrasonic waves having different frequencies. Since the coating film and the piezoelectric element can be processed accurately on the surface of the substrate, the first film thickness and the second film thickness can be ensured with high precision in the first vibration film and the second vibration film. Therefore, acoustic coupling can be realized with high accuracy for each ultrasonic frequency.
(2)超音波デバイスでは、前記第1圧電素子は圧電体を有し、前記第2圧電素子は圧電体を有し、前記第1圧電素子の前記圧電体と前記第2圧電素子の前記圧電体とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第1圧電素子の圧電体と第2圧電素子の圧電体とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。 (2) In the ultrasonic device, the first piezoelectric element has a piezoelectric body, the second piezoelectric element has a piezoelectric body, and the piezoelectric body of the first piezoelectric element and the piezoelectric of the second piezoelectric element. The body may be the same material and have the same thickness. The piezoelectric body of the first piezoelectric element and the piezoelectric body of the second piezoelectric element can be formed in the same manufacturing process. Therefore, complication of the manufacturing process can be avoided.
(3)前記第1圧電素子は前記第1振動膜側に第1の電極を有し、前記第2圧電素子は前記第2振動膜側に第1の電極を有し、前記第1圧電素子の前記第1の電極と前記第2圧電素子の前記第1の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第1圧電素子の第1の電極と第2圧電素子の第1の電極とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。 (3) The first piezoelectric element has a first electrode on the first vibrating membrane side, the second piezoelectric element has a first electrode on the second vibrating membrane side, and the first piezoelectric element The first electrode and the first electrode of the second piezoelectric element may be made of the same material and have the same thickness. The first electrode of the first piezoelectric element and the first electrode of the second piezoelectric element can be formed in the same manufacturing process. Therefore, complication of the manufacturing process can be avoided.
(4)前記第1圧電素子は前記音響整合層側に第2の電極を有し、前記第2圧電素子は前記音響整合層側に第2の電極を有し、前記第1圧電素子の前記第2の電極と前記第2圧電素子の前記第2の電極とは同じ材質であって同じ厚さを有してもよい。第1圧電素子の第2の電極と第2圧電素子の第2の電極とは同一の製造工程で形成することができる。したがって、製造工程の複雑化は回避されることができる。 (4) The first piezoelectric element has a second electrode on the acoustic matching layer side, the second piezoelectric element has a second electrode on the acoustic matching layer side, and the first piezoelectric element has the second electrode. The second electrode and the second electrode of the second piezoelectric element may be made of the same material and have the same thickness. The second electrode of the first piezoelectric element and the second electrode of the second piezoelectric element can be formed in the same manufacturing process. Therefore, complication of the manufacturing process can be avoided.
(5)前記第1振動膜と前記第2振動膜とは同じ厚さを有してもよい。第1振動膜および第2振動膜の形成にあたって被覆膜を一様に形成することができる。したがって、一様な被覆膜を比較的に簡単に精度よく形成することができる。 (5) The first vibration film and the second vibration film may have the same thickness. The coating film can be uniformly formed when forming the first vibration film and the second vibration film. Therefore, a uniform coating film can be formed relatively easily and accurately.
(6)前記第1圧電素子に接続される第1導電配線の端子と、前記第2圧電素子に接続される第2導電配線の端子とは同一平面に配置されていてもよい。超音波デバイスの使用にあたって一般に第1導電配線の端子および第2導電配線の端子には外部配線が接続される。第1導電配線の端子および第2導電配線の端子は同一平面内に配置されることから、外部配線は平面で第1導電配線の端子および第2導電配線の端子を受け止めることができる。外部配線の形状の複雑化は回避され、確実な接続が実現される。 (6) The terminal of the first conductive wiring connected to the first piezoelectric element and the terminal of the second conductive wiring connected to the second piezoelectric element may be arranged on the same plane. In using the ultrasonic device, external wiring is generally connected to the terminal of the first conductive wiring and the terminal of the second conductive wiring. Since the terminal of the first conductive wiring and the terminal of the second conductive wiring are arranged in the same plane, the external wiring can receive the terminal of the first conductive wiring and the terminal of the second conductive wiring in the plane. Complicating the shape of the external wiring is avoided and reliable connection is realized.
(7)前記第2振動膜は、前記第1振動膜の共振周波数の高調波に相当する周波数に共振周波数を有してもよい。特定周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は特定周波数の超音波成分に加えてその高調波の超音波成分を含む。したがって、特定周波数の超音波に加えてその高調波の超音波が受信されれば、超音波デバイスの感度は高められる。 (7) The second diaphragm may have a resonance frequency at a frequency corresponding to a harmonic of the resonance frequency of the first diaphragm. When an ultrasonic wave having a specific frequency is transmitted toward the subject, the reflected ultrasonic wave includes an ultrasonic component of its harmonics in addition to the ultrasonic component of the specific frequency. Therefore, if the ultrasonic wave of the higher harmonic is received in addition to the ultrasonic wave of the specific frequency, the sensitivity of the ultrasonic device is enhanced.
(8)前記第1振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第1振動膜の共振周波数の波長の4分の1の奇数倍であればよく、前記第2振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第2振動膜の共振周波数の波長の4分の1の奇数倍であればよい。こういった膜厚によれば超音波の減衰は減少する。その結果、高調波成分を高効率で送受信することができる。 (8) The film thickness of the acoustic matching layer on the first diaphragm may be an odd multiple of a quarter of the wavelength of the resonance frequency of the first diaphragm, and the acoustic film is formed on the second diaphragm. The thickness of the matching layer may be an odd multiple of one quarter of the wavelength of the resonance frequency of the second vibrating membrane. Such a film thickness reduces the attenuation of the ultrasonic waves. As a result, harmonic components can be transmitted and received with high efficiency.
(9)前記第1振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第1振動膜の共振周波数の波長の2分の1の奇数倍であればよく、前記第2振動膜上で前記音響整合層の膜厚は前記第2振動膜の共振周波数の波長の2分の1の奇数倍であればよい。こういった膜厚によれば、超音波の打ち消し合いに応じて、パルス幅の増大をもたらす残響部分を打ち消すことでパルス幅を短縮し、分解能を向上することができる。 (9) The film thickness of the acoustic matching layer on the first vibration film may be an odd multiple of one half of the wavelength of the resonance frequency of the first vibration film, and the acoustic wave is formed on the second vibration film. The thickness of the matching layer may be an odd multiple of one half the wavelength of the resonance frequency of the second vibrating membrane. According to such a film thickness, the pulse width can be shortened and the resolution can be improved by canceling the reverberation part that causes an increase in the pulse width in accordance with the cancellation of the ultrasonic waves.
(10)超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用されてもよい。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。 (10) The ultrasonic device may be used by being incorporated in a probe. At this time, the probe may include an ultrasonic device and a casing that supports the ultrasonic device.
(11)超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用されてもよい。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。 (11) The ultrasonic device may be used by being incorporated in an electronic apparatus. At this time, the electronic apparatus may include an ultrasonic device and a processing apparatus that is connected to the ultrasonic device and processes the output of the ultrasonic device.
(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されてもよい。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。 (12) The ultrasonic device may be used by being incorporated in an ultrasonic imaging apparatus. At this time, the ultrasonic imaging apparatus may include an ultrasonic device and a display device that displays an image generated from the output of the ultrasonic device.
(13)本発明の他の態様は、基板の第1面に相互に段差を有する第1平面および第2平面を形成する工程と、前記基板の前記第1面上で前記第1平面および前記第2平面を連続して覆う被覆層を形成する工程と、前記基板で前記第1平面および前記第2平面に対応する位置に、前記第1面の裏側の第2面から前記基板に開口を形成し、前記第1平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第1振動膜、および、前記第2平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第2振動膜を前記被覆層にそれぞれ形成する工程と、前記第1振動膜上に第1圧電素子を形成し、前記第2振動膜上に第2圧電素子を形成する工程と、前記基板の前記第1面上で前記第1圧電素子および前記第2圧電素子を覆い平坦な上面を有する音響整合層を形成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。ここでは、第1圧電素子および第2圧電素子の形成に先立って第1振動膜および第2振動膜が形成されてもよく、音響整合層の形成に先立って第1振動膜および第2振動膜が形成されてもよい。 (13) According to another aspect of the present invention, there is provided a step of forming a first plane and a second plane having steps on the first surface of the substrate, and the first plane and the second plane on the first surface of the substrate. Forming a coating layer continuously covering the second plane; and opening the substrate from the second surface on the back side of the first surface at a position corresponding to the first plane and the second plane on the substrate. Forming a first vibration film for closing the opening at a position corresponding to the first plane, and forming a second vibration film for closing the opening at a position corresponding to the second plane on the covering layer. Forming a first piezoelectric element on the first vibration film, forming a second piezoelectric element on the second vibration film, and forming the first piezoelectric element on the first surface of the substrate and Forming an acoustic matching layer covering the second piezoelectric element and having a flat upper surface. That process for the preparation of an ultrasound device. Here, the first vibration film and the second vibration film may be formed prior to the formation of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, and the first vibration film and the second vibration film may be formed prior to the formation of the acoustic matching layer. May be formed.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are essential as means for solving the present invention. Not necessarily.
(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。
(1) Overall Configuration of Ultrasonic Diagnostic Device FIG. 1 schematically shows a configuration of an example of an electronic apparatus, that is, an ultrasonic diagnostic device (ultrasonic imaging device) 11. The ultrasonic
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。
As shown in FIG. 2, the
(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)23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)24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。ここでは、1列の第1素子23と1列の第2素子24とが行方向に交互に配列される。1列の第1素子23と1列の第2素子24とは1つのセグメントを形成する。1セグメントごとに複数の第1素子23および第2素子24は同時に送信または受信を実施する。後述されるように、基体21の表面には相互に段差25を有する上段面26および下段面27が形成され、第1素子23は下段面27に配置され、第2素子24は上段面26に配置される。上段面26を含む平面と下段面27を含む平面とは相互に平行に広がる。上段面26は下段面27よりも基体21の裏面から遠ざかる。上段面26の周囲で下段面27は連続する。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。
(2) Configuration of Ultrasonic Device According to First Embodiment FIG. 3 schematically shows a plan view of the
個々の第1素子23は第1振動膜31を備える。第1振動膜31の詳細は後述される。図3では第1振動膜31の膜面に直交する方向の平面視(基体21の厚み方向の平面視)で第1振動膜31の輪郭が点線で描かれる。第1振動膜31上には第1圧電素子32が形成される。第1圧電素子32では、後述されるように、上電極(第2の電極)33および下電極(第1の電極)34の間に圧電体膜35が挟まれる。これらは順番に重ねられる。第1振動膜31は第1周波数に共振周波数を有する。
Each
個々の第2素子24は第2振動膜36を備える。第2振動膜36の詳細は後述される。図3では第2振動膜36の膜面に直交する方向の平面視(基体21の厚み方向の平面視)で第2振動膜36の輪郭が点線で描かれる。第2振動膜36上には第2圧電素子37が形成される。第2圧電素子37では、後述されるように、上電極(第2の電極)38および下電極(第1の電極)39の間に圧電体膜41が挟まれる。これらは順番に重ねられる。前述のように、第1素子23は下段面27に配置され第2素子24は上段面26に配置されることから、第2振動膜36の膜面は、第1振動膜31の膜面を含む平面よりも高い位置に配置される。第2振動膜36は第2周端数に共振周波数を有する。第2周波数は第1振動膜31の共振周波数である第1周波数の高調波に相当する。したがって、第2振動膜36は第1振動膜31よりも小さい。大きさは第1振動膜31および第2振動膜36の膜面の面積で比較される。
Each
基体21の表面には複数本の第1導電体42が形成される。第1導電体42は配列の列方向に相互に平行に延びる。1列の第1素子23ごとに1本の第1導電体42が割り当てられる。1本の第1導電体42は配列の列方向に並ぶ第1素子23に共通に配置される。第1導電体42は個々の第1素子23ごとに下電極34を形成する。第1導電体42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42にはその他の導電材が利用されてもよい。
A plurality of
基体21の表面には複数本の第2導電体43が形成される。第2導電体43は配列の列方向に相互に平行に延びる。1列の第2素子24ごとに1本の第2導電体43が割り当てられる。1本の第2導電体43は配列の列方向に並ぶ第2素子24に共通に配置される。第2導電体43は個々の第2素子24ごとに下電極39を形成する。第2導電体43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2導電体43にはその他の導電材が利用されてもよい。
A plurality of
基体21の表面にはさらに複数本の第3導電体44が形成される。第3導電体44は配列の行方向に相互に平行に延びる。1行の第1素子23および第2素子24に1本の第3導電体44が割り当てられる。1本の第3導電体44は配列の行方向に並ぶ第1素子23および第2素子24に共通に接続される。第3導電体44は個々の第1素子23または第2素子24ごとに上電極33、38を形成する。第3導電体44の両端は1対の引き出し配線45にそれぞれ接続される。引き出し配線45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3導電体44は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の第1素子23および第2素子24に共通に上電極33、38は接続される。第3導電体44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3導電体44にはその他の導電材が利用されてもよい。
A plurality of third conductors 44 are further formed on the surface of the
セグメントごとに素子23、24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列の第1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33、38および下電極34、39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、24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。
Energization of the
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46a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46bが配置される。第1端子アレイ46a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46b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46aは1対の上電極端子47および複数の下電極端子48で構成される。上電極端子47および下電極端子48は下段面27の同一平面上に形成される。同様に、第2端子アレイ46bは1対の上電極端子49および複数の下電極端子51で構成される。上電極端子49および下電極端子51は下段面27の同一平面上に形成される。1本の引き出し配線45の両端にそれぞれ上電極端子47、49は接続される。引き出し配線45および上電極端子47、49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。第1導電体42および第2導電体43の両端にそれぞれ下電極端子48、51は接続される。第1導電体42、第2導電体43および下電極端子48、51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。
The outline of the
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)52aが連結される。第1配線板52aは第1端子アレイ46aに覆い被さる。第1配線板52aの一端には上電極端子47および下電極端子48に個別に対応して導電線すなわち第1信号線53が形成される。第1信号線53は上電極端子47および下電極端子48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)52bが覆い被さる。第2配線板52bは第2端子アレイ46bに覆い被さる。第2配線板52bの一端には上電極端子49および下電極端子51に個別に対応して導電線すなわち第2信号線54が形成される。第2信号線54は上電極端子49および下電極端子51に個別に向き合わせられ個別に接合される。
A first flexible printed wiring board (hereinafter referred to as “first wiring board”) 52 a is connected to the
図4に示されるように、基体21は基板55および被覆膜56を備える。基板55は例えばシリコン(Si)から形成される。基板55の表面には相互に段差を有する上段面(第2平面)57および下段面(第1平面)58が形成される。基板55には個々の第1素子23ごとに第1開口59aが形成され個々の第2素子24ごとに第2開口59bが形成される。第1開口59aは下段面58で開口する。第2開口59bは上段面57で開口する。第1開口59aおよび第2開口59bは基板55に対してアレイ状に配置される。第1開口59aおよび第2開口59b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。
As shown in FIG. 4, the
基板55の表面に被覆膜56が一面に形成される。被覆膜56は一様な連続膜である。被覆膜56は上段面57および下段面58で相互に連続する。被覆膜56は、基板55の表面に積層される酸化シリコン(SiO2)層56aと、酸化シリコン層56aの表面に積層される酸化ジルコニウム(ZrO2)層56bとで構成される。被覆膜56は第1開口59aおよび第2開口59bに接する。こうして第1開口59aおよび第2開口59bの輪郭にそれぞれ対応して被覆膜56の一部が第1振動膜31および第2振動膜36を形成する。第1振動膜31は第1開口59aを閉塞する。第2振動膜36は第2開口59bを閉塞する。第1振動膜31および第2振動膜36は、被覆膜56のうち、第1開口59aおよび第2開口59bに臨むことから基板55の厚み方向に膜振動することができる部分である。
A
酸化シリコン層56aは上段面57および下段面58で均一な膜厚を有する。同様に、酸化ジルコニウム層56bは上段面57および下段面58で均一な膜厚を有する。その結果、基板55の上段面57および下段面58に倣って被覆膜56の表面すなわち基体21の表面に上段面26および下段面27が現れる。酸化シリコン層56aの膜厚は0.1〜3.0μm程度である。酸化ジルコニウム層56bの膜厚は0.1〜1.0μm程度である。
The
第1振動膜31の表面に第1導電体42、圧電体膜35および第3導電体44が順番に積層される。圧電体膜35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35にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜35は下電極34の少なくとも一部および第1振動膜31の一部を覆う。上電極33は圧電体膜35の少なくとも一部を覆う。ここでは、第3導電体44の下で圧電体膜35は完全に第1導電体42の表面を覆う。圧電体膜35の働きで第1導電体42と第3導電体44との間で短絡は回避されることができる。
A
同様に、第2振動膜36の表面に第2導電体43、圧電体膜41および第3導電体44が順番に積層される。圧電体膜41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41にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜41は下電極39の少なくとも一部および第2振動膜36の一部を覆う。上電極38は圧電体膜41の少なくとも一部を覆う。ここでは、第3導電体44の下で上段面57は完全に第2導電体43の表面を覆う。圧電体膜35の働きで第2導電体43と第3導電体44との間で短絡は回避されることができる。
Similarly, the
ここで、第1圧電素子32の下電極34と第2圧電素子37の下電極39とは同じ材質から形成される。しかも、第1圧電素子32の下電極34の厚さtL1と第2圧電素子37の下電極39の厚さtL2とは等しい。厚さtL1、tL2は例えば0.1〜1.0μm程度である。また、第1圧電素子32の圧電体膜35と第2圧電素子37の圧電体膜41とは同じ材質から形成される。第1圧電素子32の圧電体膜35の厚さtP1と第2圧電素子37の圧電体膜41の厚さtP2とは等しい。厚さtP1、tP2は例えば数μmのオーダー程度である。さらに、第1圧電素子32の上電極33と第2圧電素子37の上電極38とは第3導電体44で共通に形成されることから、上電極33および上電極38は同じ材質であって同じ膜厚を有する。上電極33、38の膜厚は数十nmのオーダー程度である。
Here, the
基体21の表面には音響整合層61が積層される。音響整合層61は例えば全面にわたって基体21の表面に覆い被さる。その結果、素子アレイ22や第1端子アレイ46a、第2端子アレイ46b、第1配線板52aおよび第2配線板52bは音響整合層61で覆われる。音響整合層61は第1素子23および第2素子24に被さる。第1振動膜31、第1圧電素子32、第2振動膜36および第2圧電素子37は音響整合層61に隙間なく密着する。音響整合層61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。音響整合層61は、素子アレイ22の構造や、第1端子アレイ46aおよび第1配線板52aの接合、第2端子アレイ46bおよび第2配線板52bの接合を保護する。
An
音響整合層61は平らな上面(平面)を有する。第1圧電素子32の第1上面は音響整合層61の上面61aから第1距離D1で離れる。第1距離D1に基づき第1圧電素子32上で音響整合層61の膜厚は設定される。第1距離D1は第1素子23の共振周波数である第1周波数に応じて決定される。ここでは、第1距離D1は第1周波数の波長の4分の1の奇数倍に設定される。第2圧電素子37の第2上面は音響整合層61の上面から第2距離D2で離れる。第2距離D2に基づき第2素子24上で音響整合層61の膜厚は設定される。第2距離D2は第2素子24の共振周波数である第2周波数に応じて決定される。ここでは、第2距離D2は第2周波数の波長の4分の1の奇数倍に設定される。第2距離D2は第1距離D1よりも小さい。ここでは、第2素子24の共振周波数は第1素子23の共振周波数の高調波に相当する。
The
音響整合層61上には音響レンズ62が積層される。音響レンズ62は音響整合層61の表面に密着する。音響レンズ62の外表面は部分円筒面で形成される。部分円筒面は第1導電体42および第2導電体43に平行な母線を有する。部分円筒面の曲率は、1筋の第1導電体42または第2導電体43に接続される1列の素子23、24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62は例えばシリコーン樹脂から形成される。
An
基体21の裏面には補強板63が固定される。補強板63の表面に基体21の裏面が重ねられる。補強板63は超音波デバイス17の裏面で第1開口59aおよび第2開口59bを閉じる。補強板63はリジッドな基材を備えることができる。補強板63は例えばシリコン基板から形成されることができる。基体21の板厚は例えば100〜300μm程度に設定され、補強板63の板厚は例えば100〜150μm程度に設定される。接合にあたって接着剤は用いられることができる。
A reinforcing
(3)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第1圧電素子32には第1周波数のパルス信号が供給される。パルス信号は第1導電体42に連なる下電極端子48、51および第3導電体44に連なる上電極端子47、49を通じて列ごとに第1素子23に供給される。個々の第1素子23では下電極34および上電極33の間で圧電体膜35に電界が作用する。圧電体膜35は第1周波数の超音波で振動する。圧電体膜35の振動は第1振動膜31に伝わる。第1振動膜31は第1周波数の超音波に共振する。振動は増強される。こうして第1振動膜31は超音波振動する。その結果、被検体(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。
(3) Operation of Ultrasonic Diagnostic Device Next, the operation of the ultrasonic
超音波の反射波は音響整合層61を伝って第1振動膜31および第2振動膜36を振動させる。第1振動膜31は第1周波数の共振周波数で超音波振動する。第2振動膜36は第2周波数の共振周波数で超音波振動する。第1振動膜31および第2振動膜36の振動に応じて第1圧電素子32および第2圧電素子37で圧電効果が発揮される。個々の第1素子23および第2素子24では上電極33、38と下電極34、39との間で電位が生成される。第1圧電素子32および第2圧電素子37でそれぞれ起電圧が電気信号として取り出される。こうして第1振動膜31および第2振動膜36は異なる周波数の超音波を受信する。振動膜の共振周波数ごとに音響整合層61の膜厚は設定されることから、超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。こうして第1周波数の超音波が被検体に向かって発信される際に、反射する超音波は第1周波数の超音波成分に加えてその高調波の(第2周波数の)超音波成分を含む。したがって、第1周波数の超音波に加えて第2周波数の超音波が受信されれば、超音波デバイス17の感度は高められる。
The reflected ultrasonic wave is transmitted through the
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。
Transmission and reception of ultrasonic waves are repeated. As a result, linear scan and sector scan are realized. When the scan is completed, an image is formed based on the digital signal of the output signal. The formed image is displayed on the screen of the
超音波デバイス17では第1振動膜31の第1圧電素子32上で音響整合層61の第1膜厚は特定され、第2振動膜36の第2圧電素子37上で音響整合層61の第2膜厚は特定される。音響整合層61の膜厚に応じて第1振動膜31および第2振動膜36に伝わる超音波の周波数は調整される。こうして第1振動膜31および第2振動膜36は異なる周波数の超音波を受信する。基板55の表面で被覆膜56および圧電素子32、37は精度よく加工されることができることから、第1振動膜31および第2振動膜36では精度よく第1膜厚および第2膜厚は確保されることができる。超音波の周波数ごとに精度よく音響結合は実現されることができる。
In the
前記のように、第1圧電素子32の下電極34と第2圧電素子37の下電極39とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第1圧電素子32の下電極34と第2圧電素子37の下電極39とは同一の製造工程で形成されることができる。同様に、第1圧電素子32の上電極33と第2圧電素子37の上電極38とは同じ材質であって同じ厚さを有する。したがって、第1圧電素子32の上電極33と第2圧電素子37の上電極38とは同一の製造工程で形成されることができる。さらに、第1圧電素子32の圧電体膜35と第2圧電素子37の圧電体膜41とは同じ材質であって同じ厚さを有する。第1圧電素子32の圧電体膜35と第2圧電素子37の圧電体膜41とは同一の製造工程で形成されることができる。いずれも製造工程の複雑化は回避されることができる。しかも、被覆膜56は第1振動膜31および第2振動膜36で均一な膜厚を有する。被覆膜56は一様に形成されることができる。一様な被覆膜56は比較的に簡単に精度よく形成されることができる。
As described above, the
第1圧電素子32に接続される第1導電体42の下電極端子48、51と、第2圧電素子37に接続される第2導電体43の下電極端子48、51とは同一平面に配置される。さらに、第1圧電素子32および第2圧電素子37に共通に接続される第3導電体44の上電極端子47、49と下電極端子48、51とは同一平面に配置される。第1配線板52aおよび第2配線板52bは平面で上電極端子47、49および下電極端子48、51を受け止めることができる。下電極端子48、51が上段面26に配置される場合に比べて、第1配線板52aおよび第2配線板52bの形状の複雑化は回避され、確実な接続が実現される。前述のように、第1距離D1と第2距離D2との差は第2振動膜36の共振周波数の波長の4分の1の整数倍であることから、高調波の超音波は確実に受信されることができる。
The
(4)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。基板71が用意される。基板71は例えばシリコンから形成される。図5に示されるように、基板71の表面(第1面)71aにはフォトレジスト72のパターンが形成される。パターンは上段面57の形状を象る。基板71の表面71aにエッチング処理が施される。図6に示されるように、基板71の表面71aが彫り込まれ、相互に段差を有する上段面73および下段面74が形成される。フォトリソグラフィ技術によれば、上段面73および下段面74は、精度よく平面に、かつ、相互に平行に形成されることができる。
(4) Method for Manufacturing Ultrasonic Device Next, a method for manufacturing the
図7に示されるように、基板71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71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71から基板55および酸化シリコン層56aが形成される。上段面73および下段面74がそのまま酸化されることから、酸化シリコン層56aの表面は精度よく平面かつ平行度を維持することができる。こうして基板55の表面に上段面57および下段面58が確立される。
As shown in FIG. 7, for example, heat treatment is performed on the surface of the
その後、図8に示されるように、酸化シリコン層56aの表面には一面に酸化ジルコニウム層56bが形成される。形成にあたってジルコニウム層が一面に形成される。例えばCVD(化学気相成長法)が用いられる。ジルコニウム層は均一な膜厚で形成される。ジルコニウム層に酸化処理が施される。酸化シリコン層56aと酸化ジルコニウム層56bとの積層で被覆膜56は確立される。酸化ジルコニウム層56bの表面は平面な酸化シリコン層56aの表面形状を反映する。こうして基板55の表面で被覆膜56の表面は精度よく加工されることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 8, a
その後、図9に示されるように、被覆膜56の表面には第1圧電素子32および第2圧電素子37が形成される。例えば、酸化ジルコニウム層56bの表面に一面に導電材の素材層75が形成される。形成にあたって例えばCVD法が用いられる。素材層75は均一な膜厚に形成される。素材層75の表面にフォトレジスト76のパターンが形成される。パターンは第1導電体42および第2導電体43の形状を象る。素材層75の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層75から第1導電体42および第2導電体43が形成される。第1導電体42および第2導電体43は共通の素材層から形成されることから、第1圧電素子32の下電極34と第2圧電素子37の下電極39とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして下電極34、39は同一の製造工程で形成される。製造工程の複雑化は回避される。
Thereafter, as shown in FIG. 9, the first
同様に、被覆膜56の表面には圧電体膜35、41および上電極33、38が形成される。いずれも共通の素材層から形成される。フォトレジストのパターンに従ってエッチング処理が施される。したがって、第1圧電素子32の圧電体膜35および上電極33と第2圧電素子37の圧電体膜41および上電極38とは同一の素材であって同じ厚さを有する。こうして圧電体膜35、41および上電極33、38はそれぞれ同一の製造工程で形成される。
Similarly,
その後、図10に示されるように、基板55には基板71の裏面(第2面)71bから第1開口59aおよび第2開口59bが形成される。第1開口59aは下段面58の裏側から形成される。第2開口59bは上段面57の裏側から形成される。形成にあたって基板55は裏面からエッチング処理に曝される。このとき、酸化シリコン層56aはエッチングストップ層として機能する。その結果、第1開口59aおよび第2開口59bで被覆膜56に第1振動膜31および第2振動膜36が確立される。その後、例えば基板71の裏面71bに補強板63が接合される。
Thereafter, as shown in FIG. 10, a
こうして第1圧電素子32および第2圧電素子37のほか、第1導電体42、第2導電体43、第3導電体44、上電極端子47、49および下電極端子48、51が形成されると、被覆膜56の表面で音響整合層61が形成される。形成にあたって例えばスピンコーティングが用いられる。流動性の素材が硬化して音響整合層61を形成する。したがって、音響整合層61の表面は容易に平面化する。音響整合層61は第1圧電素子32および第2圧電素子37に被さる。その後、音響整合層61の上面61aには音響レンズ62が形成される。こうして超音波デバイス17は製造される。
Thus, in addition to the first
(5)第2実施形態に係る超音波デバイスの構成
図11は第2実施形態に係る超音波デバイス17aの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス17aでは第1素子23と第2素子24とが千鳥配置で配列される。千鳥配置では偶数列の第2素子24群は奇数列の第1素子23群に対して互い違いにずらされればよい。ここでは、第3導電体44a、44bはそれぞれ対応の第1素子23および第2素子24の大きさに対応して幅を有することができる。第2素子24に接続される第3導電体44bの幅は第1素子23に接続される第3導電体44aの幅よりも小さい。このとき、1列の第1素子23群では第1導電体42と第3導電体44aとの間には絶縁膜81が挟まれる。絶縁膜81は第1導電体42から第3導電体44aを隔てる。同様に、1列の第2素子24群では第2導電体43と第3導電体44bとの間には絶縁膜82が挟まれる。絶縁膜82は第2導電体43から第3導電体44bを隔てる。こうして短絡は回避される。その他の構成は第1実施形態のものと同様である。
(5) Configuration of Ultrasonic Device According to Second Embodiment FIG. 11 schematically shows an enlarged partial plan view of an
(6)第3実施形態に係る超音波デバイスの構成
図12は第3実施形態に係る超音波デバイス17bの拡大部分平面図を概略的に示す。超音波デバイス17bでは行ごとに第1素子23および第2素子24が纏められる。列方向に第1素子23および第2素子24は交互に配置される。1列ごとに第1素子23と第2素子24とは共通の第1導電体42に接続される。装置端末12では例えばフーリエ変換などに基づき出力信号から第1周波数および第2周波数の出力成分は分離される。その他の構成は第1実施形態または第2実施形態のものと同様である。
(6) Configuration of Ultrasonic Device According to Third Embodiment FIG. 12 schematically shows an enlarged partial plan view of an
その他、超音波デバイス17cでは、図13に示されるように、領域ごとに第1素子23および第2素子24はそれぞれ纏めて配置されてもよい。これによって上段面26および下段面27の段差は1直線だけで済む。図14に示されるように、超音波デバイス17dでは同心円状に第1素子23および第2素子24が配列されてもよい。ここでは、特定の円を境に内側と外側とで第2素子24と第1素子23とが配列されればよい。これによって上段面26および下段面27の段差は1円で済む。その他の構成は第1実施形態その他の実施形態と同様である。
In addition, in the ultrasonic device 17c, as shown in FIG. 13, the
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、超音波診断装置11や装置端末12、超音波プローブ13、ディスプレイパネル15、素子23、24、第1導電体42、第2導電体43および第3導電体といった配線構造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。
Although the present embodiment has been described in detail as described above, it will be easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Therefore, all such modifications are included in the scope of the present invention. For example, a term described with a different term having a broader meaning or the same meaning at least once in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings. Also, the configuration and operation of a wiring structure such as the ultrasonic
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)、17 超音波デバイス、17a 超音波デバイス、17b 超音波デバイス、31 第1振動膜、32 第1圧電素子、33 第2の電極(上電極)、34 第1の電極(下電極)、35 圧電体膜、36 第2振動膜、37 第2圧電素子、38 第2の電極(上電極)、39 第1の電極(下電極)、41 圧電体膜、42 第1導電配線(第1導電体)、43 第2導電配線(第2導電体)、47 端子(上電極端子)、48 端子(下電極端子)、49 端子(上電極端子)、51 端子(下電極端子)、55 基板、56 被覆膜、59a 開口(第1開口)、59b 開口(第2開口)、73 上段面、74 下段面。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記第1開口を閉塞する第1振動膜と、第2開口を閉塞する第2振動膜と、を有し前記基板上に形成された被覆層と、
前記第1振動膜上に形成された第1圧電素子と、
前記第2振動膜上に形成された第2圧電素子と、
前記第1圧電素子および前記第2圧電素子を覆い、前記第1平面および前記第2平面に平行な平面を有する音響整合層と、
を有する超音波デバイス。 A first plane; a second plane spaced from the reference plane including the first plane by a specific distance in a normal direction thereof; a first opening opening in the first plane; and a second opening opening in the second plane. A substrate having an opening;
A coating layer formed on the substrate, the first vibration film closing the first opening and the second vibration film closing the second opening;
A first piezoelectric element formed on the first vibrating membrane;
A second piezoelectric element formed on the second vibrating membrane;
An acoustic matching layer covering the first piezoelectric element and the second piezoelectric element and having a plane parallel to the first plane and the second plane;
Ultrasonic device having
前記基板の前記第1面上で前記第1平面および前記第2平面を連続して覆う被覆層を形成する工程と、
前記基板で前記第1平面および前記第2平面に対応する位置に、前記第1面の裏側の第2面から前記基板に開口を形成し、前記第1平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第1振動膜、および、前記第2平面に対応する位置の前記開口を閉塞する第2振動膜を前記被覆層にそれぞれ形成する工程と、
前記第1振動膜上に第1圧電素子を形成し、前記第2振動膜上に第2圧電素子を形成する工程と、
前記基板の前記第1面上で前記第1圧電素子および前記第2圧電素子を覆い平坦な上面を有する音響整合層を形成する工程と、
を備えることを特徴とする超音波デバイスの製造方法。 Forming a first plane and a second plane having steps on the first surface of the substrate;
Forming a coating layer continuously covering the first plane and the second plane on the first surface of the substrate;
An opening is formed in the substrate from the second surface on the back side of the first surface at a position corresponding to the first plane and the second plane on the substrate, and the opening at a position corresponding to the first plane is closed. Forming a first vibrating membrane on the covering layer and a second vibrating membrane for closing the opening at a position corresponding to the second plane;
Forming a first piezoelectric element on the first vibrating membrane and forming a second piezoelectric element on the second vibrating membrane;
Forming an acoustic matching layer having a flat upper surface on the first surface of the substrate, covering the first piezoelectric element and the second piezoelectric element;
An ultrasonic device manufacturing method comprising:
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