JP2017216728A - Electromechanical converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromechanical converter or the like that can prevent light from entering a reception surface without deteriorating mechanical characteristics of a vibration film.SOLUTION: An electromechanical converter includes at least one cell structure 2 of movably supporting a vibration film 7 including one electrode 8 of two electrodes 3 and 8 having a gap 5 in between. In the electromechanical converter, on the vibration film 7 provided is a stress relaxation layer 9 having acoustic impedance matched with the vibration film 7, and a light reflection layer 6 is provided on the stress relaxation layer 9.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波トランスデューサなどとして用いられる静電容量型電気機械変換装置等の電気機械変換装置に関する。 The present invention relates to an electromechanical transducer such as a capacitive electromechanical transducer used as an ultrasonic transducer or the like.

従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いたCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)等の静電容量型の電気機械変換装置は、圧電素子の代替品として研究されている。こうした静電容量型電気機械変換装置によると、振動膜の振動を用いて超音波などの音響波を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。他方、照明光(近赤外線など)を測定対象物に照明することで被検体の内部から発せられる光音響波を受信する超音波トランスデューサが提案されている(特許文献1参照)。本トランスデューサでは、光を反射するための光反射部材が設けられていて、この光反射部材は光音響波を受信する超音波トランスデューサの受信面より大きい構成となっている。 Conventionally, micromechanical members manufactured by micromachining technology can be processed on the micrometer order, and various micro functional elements are realized using these. A capacitive electromechanical transducer such as a CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) using such a technique has been studied as an alternative to a piezoelectric element. According to such a capacitance type electromechanical transducer, acoustic waves such as ultrasonic waves can be transmitted and received using the vibration of the vibrating membrane, and excellent broadband characteristics can be easily obtained particularly in liquid. On the other hand, an ultrasonic transducer that receives a photoacoustic wave emitted from the inside of a subject by illuminating a measurement object with illumination light (such as near infrared rays) has been proposed (see Patent Document 1). In this transducer, a light reflecting member for reflecting light is provided, and this light reflecting member is configured to be larger than the receiving surface of the ultrasonic transducer that receives the photoacoustic wave.

特開2010−075681号公報JP 2010-075681 A

光音響波を受信するセンサとして静電容量型の電気機械変換装置を用いる場合、光音響波を発生させるための光が装置に入射すると、装置の受信面において、光音響波が発生しノイズとなる。こうした事態を防止するために、光が入射しないように反射部材を静電容量型電気機械変換装置の受信面直上に配置すると、今度は、装置を構成する振動膜のばね定数の変化、振動膜の変形量のばらつき等が発生する。これにより、静電容量型電気機械変換装置の感度の低下、ばらつき、帯域幅の減少が発生することがある。 When a capacitive electromechanical transducer is used as a sensor for receiving a photoacoustic wave, when light for generating the photoacoustic wave is incident on the device, a photoacoustic wave is generated on the receiving surface of the device, resulting in noise. Become. In order to prevent such a situation, when the reflecting member is arranged immediately above the receiving surface of the capacitive electromechanical transducer so that light does not enter, this time, the change in the spring constant of the vibrating membrane constituting the device, the vibrating membrane Variation in the amount of deformation occurs. This may cause a decrease in sensitivity, variation, and a decrease in bandwidth of the capacitive electromechanical transducer.

上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は、複数のセル構造を含み構成される静電容量型の電気機械変換装置であって、前記セル構造は、基板上の積層方向に、第一の電極と、該第一の電極と間隙を隔てて設けられている第二の電極を含み構成される振動膜とを、有し、前記複数のセル構造に対応した光反射層が、前記振動膜上に設けられており、且つ前記振動膜と前記光反射層との間には、前記複数のセル構造に対して共通に用いられる応力緩和層が設けられている。 In view of the above problems, an electromechanical transducer according to the present invention is a capacitance-type electromechanical transducer including a plurality of cell structures, and the cell structures are arranged in a stacking direction on a substrate. And a vibration film configured to include a second electrode provided with a gap from the first electrode, and a light reflection layer corresponding to the plurality of cell structures includes the vibration film. A stress relaxation layer that is provided on the film and is commonly used for the plurality of cell structures is provided between the vibration film and the light reflection layer.

本発明の電気機械変換装置では、装置受信面である振動膜上に応力緩和層を有し、その上に光反射層を有している。従って、光反射層の応力による影響が受信面にあまり及ばないため、振動膜の変形等が起こり難い。これにより、光反射層を形成した電気機械変換装置の性能ばらつきを低減して、光音響波などの弾性波を受信することができる。 In the electromechanical transducer of the present invention, the stress relaxation layer is provided on the vibration film as the device receiving surface, and the light reflection layer is provided thereon. Accordingly, the influence of the stress of the light reflecting layer does not reach the receiving surface so much that the vibration film is hardly deformed. Thereby, the performance variation of the electromechanical transducer which formed the light reflection layer can be reduced, and elastic waves, such as a photoacoustic wave, can be received.

本発明の実施形態と実施例1の電気機械変換装置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the electromechanical converter of Embodiment and Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の電気機械変換装置を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the electromechanical converter of Example 2 of this invention. 本発明の光音響装置を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the photoacoustic apparatus of this invention.

本発明の電気機械変換装置の特徴は、セル構造の振動膜上に、応力緩和層を設け、応力緩和層上に光反射層を設けることである。セル構造は、例えば、基板と、基板の一方の表面側の第一の電極と、第二の電極を有する振動膜と、第一の電極と振動膜との間に間隙が形成されるように振動膜を支持する振動膜支持部と、で形成される。セル構造は、所謂サーフェイス型、接合型の製法などで作製することができる。後述の図1の例は接合型の製法で作製することができる構造を有し、後述の図2の例はサーフェイス型の製法で作製することができる構造を有する。 A feature of the electromechanical conversion device of the present invention is that a stress relaxation layer is provided on a vibration film having a cell structure, and a light reflection layer is provided on the stress relaxation layer. In the cell structure, for example, a gap is formed between the substrate, the first electrode on one surface side of the substrate, the vibrating membrane having the second electrode, and the first electrode and the vibrating membrane. And a diaphragm supporting portion that supports the diaphragm. The cell structure can be manufactured by a so-called surface type or junction type manufacturing method. The example of FIG. 1 described later has a structure that can be manufactured by a bonding type manufacturing method, and the example of FIG. 2 described later has a structure that can be manufactured by a surface type manufacturing method.

以下、本発明の一実施形態について図1を用いて説明する。図1(a)は、本実施形態の静電容量型電気機械変換装置の上面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−B断面図である。本電気機械変換装置は、セル構造2を有する素子(エレメント)1を複数有している。図1では、4つの素子1のみを記載しているが、素子数は幾つでも構わない。また、各素子1は、9個のセル構造2から構成されているが、セル構造2の個数は幾つであっても構わない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Fig.1 (a) is a top view of the electrostatic capacitance type electromechanical transducer of this embodiment, FIG.1 (b) is AB sectional drawing of Fig.1 (a). The electromechanical transducer has a plurality of elements 1 having a cell structure 2. In FIG. 1, only four elements 1 are shown, but any number of elements may be used. Each element 1 is composed of nine cell structures 2, but the number of cell structures 2 may be any number.

本実施形態のセル構造2は、振動膜7、空隙等の間隙5、振動膜7を振動可能に支持する振動膜支持部4、およびシリコン基板3で構成されている。振動膜7は、単結晶シリコンであるが、積層成膜した振動膜(例えば、窒化シリコン膜)等であっても構わない。振動膜7は、第二の電極となる金属(アルミ薄膜8など)を振動膜内あるいは外面上に有している。本発明においては、窒化シリコン膜や単結晶シリコン膜からなるメンブレン部分と第二の電極部分をあわせて振動膜と表現する。また、振動膜7が低抵抗の単結晶シリコンである場合、単結晶シリコンを第二の電極として用いることができるため、第二の電極となる金属を配置しなくてもよい。シリコン基板3は低抵抗であり、第一の電極として用いることができる。シリコン基板を第一の電極として用いない場合、第一の電極として金属を基板上に形成することができる。また、基板としてガラス基板等の絶縁性の基板を用いた場合も基板上に第一の電極を形成する。第一及び第二の電極は間隙5を挟んで設けられている。 The cell structure 2 of the present embodiment includes a vibration film 7, a gap 5 such as a gap, a vibration film support portion 4 that supports the vibration film 7 so as to vibrate, and a silicon substrate 3. The vibration film 7 is made of single crystal silicon, but may be a vibration film (for example, a silicon nitride film) formed by lamination. The vibration film 7 has a metal (aluminum thin film 8 or the like) serving as a second electrode inside or on the vibration film. In the present invention, the membrane portion made of a silicon nitride film or a single crystal silicon film and the second electrode portion are collectively expressed as a vibration film. In addition, when the vibration film 7 is low-resistance single crystal silicon, single crystal silicon can be used as the second electrode, and therefore a metal serving as the second electrode need not be disposed. The silicon substrate 3 has a low resistance and can be used as the first electrode. When a silicon substrate is not used as the first electrode, a metal can be formed on the substrate as the first electrode. In addition, when an insulating substrate such as a glass substrate is used as the substrate, the first electrode is formed on the substrate. The first and second electrodes are provided across the gap 5.

本実施形態の電気機械変換装置は、音響波の受信面上に、応力緩和層9を有している。応力緩和層9は、振動膜内に第一の電極が形成されている際は振動膜上に直接形成され、振動膜上に第一の電極が形成されている際は、第一の電極上に形成される。応力緩和層9は、全セル構造を含む受信面全面より大きく配置するのが望ましい。応力緩和層とは、振動膜7の変形量を増大させず、ばね定数などの機械特性を変化させないものである。また、音響インピーダンスが振動膜7を有する受信面と同程度のものであることが好ましい。具体的に、ヤング率が0MPa以上100MPa以下、音響インピーダンスが1MRayls以上2MRayls以下がよい。100MPa以下のヤング率を有する応力緩和層であれば、光反射層6(後述)の応力による振動膜への影響を緩和し、且つ、剛性(ヤング率)も十分に小さいため、振動膜7の機械特性をほぼ変化させない。また、1MRayls以上2MRayls以下の音響インピーダンスを有することで、音響波の受信面の音響インピーダンスとほぼ同程度となり、振動膜7と応力緩和層9との界面での音響波の反射を抑制できる。受信面の音響インピーダンスは、振動膜のばね定数、質量、エレメントの静電容量などから換算できる音響インピーダンスであり、例えば、中心周波数が1〜10MHzのCMUTの場合、0.01〜5MRaylsである。ただし、セルの形状等により受信面の音響インピーダンスは異なる。また、本実施形態の電気機械変換装置を水などの低い音響インピーダンス(水の音響インピーダンスは、1.5MRayls程度)を有する媒質の中で用いる場合、応力緩和層が1MRayls以上2MRayls以下であれば、応力緩和層と媒質の界面での反射を低減することができる。 The electromechanical transducer of this embodiment includes a stress relaxation layer 9 on the acoustic wave receiving surface. The stress relaxation layer 9 is formed directly on the vibration film when the first electrode is formed in the vibration film, and on the first electrode when the first electrode is formed on the vibration film. Formed. The stress relaxation layer 9 is desirably arranged larger than the entire receiving surface including the entire cell structure. The stress relaxation layer does not increase the deformation amount of the vibration film 7 and does not change the mechanical characteristics such as the spring constant. Moreover, it is preferable that the acoustic impedance is approximately the same as that of the receiving surface having the vibrating membrane 7. Specifically, the Young's modulus is preferably 0 MPa or more and 100 MPa or less, and the acoustic impedance is 1 MRayls or more and 2 MRayls or less. If the stress relaxation layer has a Young's modulus of 100 MPa or less, the influence of the stress of the light reflecting layer 6 (described later) on the vibration film is relaxed and the rigidity (Young's modulus) is sufficiently small. Almost no change in mechanical properties. Further, by having an acoustic impedance of 1 MRayls or more and 2 MRayls or less, the acoustic impedance is almost the same as the acoustic impedance of the acoustic wave receiving surface, and reflection of acoustic waves at the interface between the vibration film 7 and the stress relaxation layer 9 can be suppressed. The acoustic impedance of the receiving surface is an acoustic impedance that can be converted from the spring constant of the vibrating membrane, the mass, the capacitance of the element, and the like. For example, in the case of a CMUT having a center frequency of 1 to 10 MHz, it is 0.01 to 5 MRayls. However, the acoustic impedance of the receiving surface varies depending on the shape of the cell. Further, when the electromechanical transducer of this embodiment is used in a medium having a low acoustic impedance such as water (the acoustic impedance of water is about 1.5 MRayls), if the stress relaxation layer is 1 MRayls or more and 2 MRayls or less, Reflection at the interface between the stress relaxation layer and the medium can be reduced.

さらに、本実施形態の電気機械変換装置は、応力緩和層9上に光反射層6を有する。光反射層6は、主に、光を被検体に照射して光音響波を発生させるために用いる光源の有する波長の光を反射するためであり、光源の有する波長に対する反射率が高い膜であればよい。光反射層6としては、Al、Au、誘電体多層膜等が用いられる。光反射層6は、応力緩和層9上全面に配置するのが望ましい。光反射層6は、電気機械変換装置のうち、受信面より被検体側に位置するすべての部材に配置されるのがより望ましい。本構成により、電気機械変換装置にレーザ光が照射されて発生するノイズを防止することができる。光反射層6の反射率は、使用する光において80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。また、光反射層6は受信面上に配置されるため、音響波をほとんど減衰せずに伝播させる必要があるため、薄いことが好ましい。具体的には10μm以下であることが好ましい。 Furthermore, the electromechanical transducer of this embodiment has a light reflecting layer 6 on the stress relaxation layer 9. The light reflecting layer 6 is mainly for reflecting light having a wavelength of a light source used for generating a photoacoustic wave by irradiating the subject with light, and is a film having a high reflectance with respect to the wavelength of the light source. I just need it. As the light reflecting layer 6, Al, Au, a dielectric multilayer film, or the like is used. The light reflecting layer 6 is desirably disposed on the entire surface of the stress relaxation layer 9. It is more desirable that the light reflecting layer 6 is disposed on all members located on the subject side of the receiving surface in the electromechanical transducer. With this configuration, it is possible to prevent noise generated when the electromechanical transducer is irradiated with laser light. The reflectance of the light reflecting layer 6 is preferably 80% or more, and more preferably 90% or more in the light used. In addition, since the light reflection layer 6 is disposed on the receiving surface, it is necessary to propagate the acoustic wave with almost no attenuation. Specifically, it is preferably 10 μm or less.

本実施形態の駆動原理を説明する。ここでは、素子1は、第一の電極として用いるシリコン基板3上に形成されており、第二の電極として振動膜7を用いている。素子1は、図示しない引き出し配線を基板上あるいは貫通基板中に設けることで、第一の電極あるいは第二の電極から電気信号を引き出すことができる。音響波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、直流電圧を第一の電極あるいは第二の電極に印加しておく。音響波を受信すると、振動膜7が変形するため、第二の電極を含む振動膜7と第一の電極である基板3との間の間隙5の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、図示しない引き出し配線に電流が流れる。この電流を、図示しない電流−電圧変換素子によって、電圧として、音響波を受信することができる。また、第一の電極であるシリコン基板3あるいは第二の電極である振動膜7に直流電圧と交流電圧を印加し、静電気力によって、単結晶シリコン振動膜7を振動させることができる。これによって、音響波を送信することもできる。 The driving principle of this embodiment will be described. Here, the element 1 is formed on the silicon substrate 3 used as the first electrode, and the vibration film 7 is used as the second electrode. The element 1 can draw an electric signal from the first electrode or the second electrode by providing a lead wiring (not shown) on the substrate or in the through-hole substrate. When receiving an acoustic wave, a DC voltage is applied to the first electrode or the second electrode by a voltage applying means (not shown). When the acoustic wave is received, the vibration film 7 is deformed, so that the distance of the gap 5 between the vibration film 7 including the second electrode and the substrate 3 that is the first electrode changes, and the capacitance changes. Due to this change in capacitance, a current flows through a lead wiring (not shown). An acoustic wave can be received using this current as a voltage by a current-voltage conversion element (not shown). In addition, the single-crystal silicon vibrating membrane 7 can be vibrated by electrostatic force by applying a DC voltage and an AC voltage to the silicon substrate 3 as the first electrode or the vibrating membrane 7 as the second electrode. Thereby, an acoustic wave can also be transmitted.

本実施形態の静電容量型電気機械変換装置は、光音響波を受信するために用いることができる。光音響波とは、短パルスレーザを被検体に照射し、その光を吸収した被検体から発生する音響波(典型的には超音波)である。従って、図示しない被検体にレーザ等の光を照射する必要がある。このレーザ等の光源からの散乱光等が装置の受信面に入射すると、受信面を構成する振動膜7等が光源からの散乱光等を吸収し、受信面で音響波を発生してしまうため、ノイズとなる。これを防止するために光反射層を用いるのであるが、受信面に直接光反射層を設ける静電容量型電気機械変換装置の場合、光反射層の応力等によって、振動膜の変形量や振動膜のばね定数などの機械特性が変化する。よって、前述した様に、各セル構造間、各素子間の感度ばらつき、帯域ばらつきを生じるため、装置の特性劣化を引き起こす。これに対して、本実施形態の静電容量型電気機械変換装置では、応力緩和層9上に光反射層6を有している。応力緩和層9はヤング率が小さいため、応力緩和層を硬化させて形成する場合であっても、硬化時の応力等による振動膜の変形やばね定数の変化を抑制することができる。また、音響インピーダンスが受信面と同程度であるため、応力緩和層と受信面との界面での受信音響波の反射を抑制することができる。さらに、光反射層6を有しているため、光が受信面に入射しない。従って、光音響波を受信するセンサとして本実施形態の装置を用いる場合、ノイズを低減することができる。また、光反射層6が受信面近傍に配置されているため、様々な角度から入射する散乱光等の光が受信面に入射することを防止することができる。また、光反射層6が受信面と一体化されているため、光音響波を受信する静電容量型電気機械変換装置を小型化でき、他の装置に容易に組み込むことができる。 The capacitive electromechanical transducer of this embodiment can be used to receive photoacoustic waves. A photoacoustic wave is an acoustic wave (typically an ultrasonic wave) generated from a subject that has irradiated the subject with a short pulse laser and absorbed the light. Therefore, it is necessary to irradiate a subject (not shown) with light such as a laser. When scattered light or the like from a light source such as a laser enters the receiving surface of the apparatus, the vibration film 7 or the like constituting the receiving surface absorbs scattered light or the like from the light source and generates an acoustic wave on the receiving surface. , It becomes noise. In order to prevent this, a light reflecting layer is used. However, in the case of a capacitive electromechanical transducer in which a light reflecting layer is provided directly on the receiving surface, the deformation amount or vibration of the vibrating film is affected by the stress of the light reflecting layer. Mechanical properties such as the spring constant of the membrane change. Therefore, as described above, sensitivity variations and band variations occur between the cell structures and between the elements, resulting in deterioration of the device characteristics. On the other hand, the capacitive electromechanical transducer of this embodiment has the light reflecting layer 6 on the stress relaxation layer 9. Since the stress relaxation layer 9 has a small Young's modulus, even when the stress relaxation layer is formed by curing, the deformation of the vibration film and the change of the spring constant due to the stress at the time of curing can be suppressed. In addition, since the acoustic impedance is approximately the same as that of the reception surface, reflection of the reception acoustic wave at the interface between the stress relaxation layer and the reception surface can be suppressed. Further, since the light reflecting layer 6 is provided, light does not enter the receiving surface. Therefore, when the apparatus of this embodiment is used as a sensor that receives photoacoustic waves, noise can be reduced. Further, since the light reflecting layer 6 is disposed in the vicinity of the receiving surface, it is possible to prevent light such as scattered light entering from various angles from entering the receiving surface. Further, since the light reflecting layer 6 is integrated with the receiving surface, the capacitive electromechanical transducer that receives the photoacoustic wave can be reduced in size and can be easily incorporated into other devices.

また、本実施形態の静電容量型電気機械変換装置では、光反射層を支持する光反射層支持層を、応力緩和層9と光反射層6の間に設けることもできる(後述する実施例2参照)。応力緩和層上に直接光反射層を成膜する場合、応力緩和層のヤング率が低いため、光反射層の応力等によって、光反射層がたわむ、あるいは、変形する可能性がある。また、光反射層と応力緩和層との密着性が低い場合、光反射層が剥離することがある。本構成では、光反射層は、応力緩和層より剛性の高い光反射層支持層上に形成されているため、光反射層支持層を応力緩和層上に接着しても、光反射層がたわむ、あるいは、変形することを防止することができる。光反射層6を支持する光反射層支持層のヤング率は、100MPa以上20GPa以下が望ましい。また、光反射層は光反射層支持層によって支持されており、光反射層支持層と応力緩和層とは、密着力の高い接着方法あるいは接着剤により接着することができる。従って、応力緩和層上に光反射層を直接成膜する場合と比較して、光反射層がたわむ、あるいは、変形することをより確実に防止することができ、また密着力を向上させることができる。光反射層6を支持する光反射層支持層は、音響インピーダンスが1MRayls以上5MRayls以下程度がよい。光反射層6を支持する光反射層支持層の音響インピーダンスを応力緩和層9の音響インピーダンスの値に近くすることによって、光反射層6を支持する光反射層支持層と応力緩和層9との界面での音響波の反射量を低減することができる。 In the capacitive electromechanical transducer of this embodiment, a light reflecting layer supporting layer that supports the light reflecting layer can also be provided between the stress relaxation layer 9 and the light reflecting layer 6 (Examples described later). 2). When the light reflection layer is formed directly on the stress relaxation layer, the stress reflection layer has a low Young's modulus, so that the light reflection layer may be bent or deformed by the stress of the light reflection layer. In addition, when the adhesion between the light reflection layer and the stress relaxation layer is low, the light reflection layer may peel off. In this configuration, since the light reflection layer is formed on the light reflection layer support layer having higher rigidity than the stress relaxation layer, the light reflection layer bends even if the light reflection layer support layer is bonded onto the stress relaxation layer. Alternatively, deformation can be prevented. The Young's modulus of the light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 is preferably 100 MPa or more and 20 GPa or less. Moreover, the light reflection layer is supported by the light reflection layer support layer, and the light reflection layer support layer and the stress relaxation layer can be bonded by an adhesive method or an adhesive having high adhesion. Therefore, compared with the case where the light reflecting layer is directly formed on the stress relaxation layer, the light reflecting layer can be more reliably prevented from being bent or deformed, and the adhesion can be improved. it can. The light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 preferably has an acoustic impedance of about 1 MRayls or more and 5 MRayls or less. By making the acoustic impedance of the light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 close to the value of the acoustic impedance of the stress relaxation layer 9, the light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 and the stress relaxation layer 9 The amount of acoustic wave reflection at the interface can be reduced.

上記構成において、応力緩和層9は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)が望ましい。PDMSにシリカ粒子等を添加したものや、PDMSの水素の一部をフッ素で置換したフロロシリコーン、あるいは、フロロシリコーンにシリカ粒子等を添加したものでもよい。シリカ粒子等を添加することにより、音響インピーダンスを調整することができる。PDMSは音響インピーダンスが1MRaylsから2MRayls程度であり、応力緩和層と受信面との界面での音響波の反射を抑制することができる。さらに、生体との適合性が高い。光反射層6を支持する光反射層支持層は、応力緩和層9より剛性が高いものが望ましい。応力緩和層としてポリジメチルシロキサンを用いた場合、例えば、ポリメチルペンテン、ポリカーボネート、アクリル、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂光反射層支持層を使用することができる。ただし、応力緩和層より光反射層支持層の剛性が高ければ、これらに限定されるものではない。特に、トリメチルペンテンの音響インピーダンスは1.8MRayls程度、ポリカーボネートは2.5MRayls程度であり、音響インピーダンスが3MRayls以下であり非常に低い。従って、光反射層6を支持する光反射層支持層と応力緩和層9との界面での音響波の反射量を低減することができる。さらに、音響インピーダンスの低い媒質中で、本実施形態の電気機械変換装置を用いる場合、光反射層6を支持する光反射層支持層と媒質との音響インピーダンスの差が小さいため、それらの界面での音響波の反射量を低減することができる。さらに、ポリカーボネートは表面粗さを小さくできるので、反射膜の表面粗さも小さくでき、反射率低下を防止することができる。 In the above configuration, the stress relaxation layer 9 is preferably polydimethylsiloxane (PDMS). PDMS to which silica particles or the like are added, fluorosilicone obtained by substituting a part of hydrogen of PDMS with fluorine, or those obtained by adding silica particles to fluorosilicone may be used. The acoustic impedance can be adjusted by adding silica particles or the like. PDMS has an acoustic impedance of about 1 MRayls to 2 MRayls, and can suppress reflection of acoustic waves at the interface between the stress relaxation layer and the receiving surface. Furthermore, the compatibility with a living body is high. The light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 is preferably higher in rigidity than the stress relaxation layer 9. When polydimethylsiloxane is used as the stress relaxation layer, for example, a resin light reflecting layer support layer such as polymethylpentene, polycarbonate, acrylic, polyimide, polyethylene, and polypropylene can be used. However, the present invention is not limited to this as long as the rigidity of the light reflection layer support layer is higher than that of the stress relaxation layer. In particular, the acoustic impedance of trimethylpentene is about 1.8 MRayls, the polycarbonate is about 2.5 MRayls, and the acoustic impedance is 3 MRayls or less, which is very low. Therefore, it is possible to reduce the amount of acoustic wave reflection at the interface between the light reflection layer support layer that supports the light reflection layer 6 and the stress relaxation layer 9. Furthermore, when the electromechanical transducer according to this embodiment is used in a medium with low acoustic impedance, the difference in acoustic impedance between the light reflecting layer supporting layer that supports the light reflecting layer 6 and the medium is small. The amount of reflected acoustic waves can be reduced. Furthermore, since the surface roughness of polycarbonate can be reduced, the surface roughness of the reflective film can also be reduced, and a decrease in reflectance can be prevented.

以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
(実施例1)
実施例1の静電容量型電気機械変換装置の構成を図1を用いて説明する。本実施例の電気機械変換装置は、素子1を複数有している。図1では、4つの素子のみ記載しているが、素子数は幾つでも構わない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to more specific examples.
Example 1
The configuration of the capacitance type electromechanical transducer of Example 1 will be described with reference to FIG. The electromechanical transducer of this embodiment has a plurality of elements 1. In FIG. 1, only four elements are shown, but any number of elements may be used.

セル構造2は、厚さ1μmの単結晶シリコン振動膜7、間隙5、抵抗率が0.01Ωcmの単結晶シリコン振動膜7を支持する振動膜支持部4、およびシリコン基板3で構成されている。シリコン基板3は、厚さが300μmで、抵抗率が0.01Ωcmである。本実施例の振動膜7の形状は、直径が30μmの円形であるが、形状は四角形、六角形等でも構わない。単結晶シリコン振動膜7は単結晶シリコンが主材料であり、振動膜7上に残留応力の大きな層が形成されていないので、各素子1間の均一性が高く、送受信性能のバラツキを低減できる。単結晶シリコン振動膜7の導電特性を向上するため、200nm程度のアルミ薄膜8を成膜することもできる。本構成では、振動膜支持部4は酸化シリコンであり、振動膜支持部4の高さは300nmであり、間隙5のギャップは200nmである。 The cell structure 2 includes a single crystal silicon vibration film 7 having a thickness of 1 μm, a gap 5, a vibration film support portion 4 that supports the single crystal silicon vibration film 7 having a resistivity of 0.01 Ωcm, and a silicon substrate 3. . The silicon substrate 3 has a thickness of 300 μm and a resistivity of 0.01 Ωcm. The shape of the vibrating membrane 7 of the present embodiment is a circle having a diameter of 30 μm, but the shape may be a square, a hexagon, or the like. The single crystal silicon vibration film 7 is mainly made of single crystal silicon, and since a layer having a large residual stress is not formed on the vibration film 7, the uniformity between the elements 1 is high, and the variation in transmission / reception performance can be reduced. . In order to improve the conductive characteristics of the single crystal silicon vibration film 7, an aluminum thin film 8 of about 200 nm can be formed. In this configuration, the diaphragm support 4 is silicon oxide, the height of the diaphragm support 4 is 300 nm, and the gap 5 is 200 nm.

単結晶シリコン振動膜7およびシリコン基板3は低抵抗であるため、第一の電極あるいは第二の電極として用いることができる。本実施例の静電容量型電気機械変換装置では、引き出し配線をシリコン基板上に形成する、あるいは、貫通配線を有するシリコン基板とすることで、第一の電極あるいは第二の電極から電気信号を引き出すことができる。受信および送信の駆動原理は上記実施形態のところで説明した通りである。 Since the single crystal silicon vibration film 7 and the silicon substrate 3 have low resistance, they can be used as the first electrode or the second electrode. In the capacitance type electromechanical transducer of this embodiment, the lead-out wiring is formed on the silicon substrate, or the silicon substrate having the through-wiring is used, so that an electric signal is transmitted from the first electrode or the second electrode. It can be pulled out. The driving principle of reception and transmission is as described in the above embodiment.

本実施例の静電容量型電気機械変換装置では、応力緩和層9が受信面上に配置され、光反射層6が応力緩和層9上に配置されている。応力緩和層9はPDMSであり、光反射層6は金である。応力緩和層9の音響インピーダンスは、1.8MRaylsであり、厚さは100μmである。応力緩和層9とシリコン振動膜7の有する音響インピーダンスの差が非常に小さいため、応力緩和層と受信面との界面での音響波の反射はほぼ発生しない。また、本実施形態の電気機械変換装置を水などの低い音響インピーダンスを有する媒質の中で用いる場合、応力緩和層9と媒質の有する音響インピーダンスの差が非常に小さいため、応力緩和層と媒質の界面での反射を低減することができる。従って、音響波を受信する際、受信信号の強度劣化を起こさない。光反射層6は、光音響波を発生させるために用いる光源の有する波長の光を反射するためであり、光源の有する波長に対する反射率が高い膜であればよい。光反射層6としては、Al、誘電体多層膜等を用いることもできる。本実施例の静電容量型電気機械変換装置は、上記実施形態のところで述べたように、光音響波を受信するために用いることができる。 In the capacitive electromechanical transducer of the present embodiment, the stress relaxation layer 9 is disposed on the receiving surface, and the light reflection layer 6 is disposed on the stress relaxation layer 9. The stress relaxation layer 9 is PDMS, and the light reflection layer 6 is gold. The acoustic impedance of the stress relaxation layer 9 is 1.8 MRayls and the thickness is 100 μm. Since the difference in acoustic impedance between the stress relaxation layer 9 and the silicon vibration film 7 is very small, reflection of acoustic waves at the interface between the stress relaxation layer and the receiving surface hardly occurs. Further, when the electromechanical transducer of this embodiment is used in a medium having a low acoustic impedance such as water, the difference between the acoustic impedance of the stress relaxation layer 9 and the medium is very small. Reflection at the interface can be reduced. Therefore, when receiving an acoustic wave, the received signal does not deteriorate in intensity. The light reflecting layer 6 is for reflecting light having a wavelength of a light source used for generating a photoacoustic wave, and may be a film having a high reflectance with respect to the wavelength of the light source. As the light reflecting layer 6, Al, a dielectric multilayer film, or the like can also be used. The capacitance type electromechanical transducer of this example can be used to receive photoacoustic waves as described in the above embodiment.

(実施例2)
実施例2の静電容量型電気機械変換装置の構成を図2を用いて説明する。実施例2の電気機械変換装置の構成は、実施例1とほぼ同様である。セル構造は、上部電極37、厚さ1μmの振動膜36、間隙34、振動膜36を支持する振動膜支持部35、絶縁膜33、下部電極32および基板30で構成されている。基板30はシリコン基板、振動膜36と振動膜支持部35は窒化シリコン膜、上部電極37と下部電極32はアルミである。基板30と下部電極32の間には、酸化膜31を配置して、両者間を絶縁している。基板30が低抵抗シリコン基板、ガラス等の絶縁性基板の場合、酸化膜31はなくてもよい。
(Example 2)
The configuration of the capacitive electromechanical transducer of Example 2 will be described with reference to FIG. The configuration of the electromechanical transducer of Example 2 is almost the same as that of Example 1. The cell structure includes an upper electrode 37, a vibration film 36 having a thickness of 1 μm, a gap 34, a vibration film support portion 35 that supports the vibration film 36, an insulating film 33, a lower electrode 32, and a substrate 30. The substrate 30 is a silicon substrate, the vibration film 36 and the vibration film support portion 35 are silicon nitride films, and the upper electrode 37 and the lower electrode 32 are aluminum. An oxide film 31 is disposed between the substrate 30 and the lower electrode 32 to insulate them from each other. When the substrate 30 is a low resistance silicon substrate or an insulating substrate such as glass, the oxide film 31 may not be provided.

基板30は、厚さが300μmである。本構成では、振動膜36の形状は、直径が30μmの円形である。振動膜支持部35の高さは300nmであり、間隙34のギャップは200nmである。また、応力緩和層38が受信面上に配置され、光反射層41が応力緩和層38上に配置されている。光反射層41は、これの剛性を維持するため、高剛性光反射層支持層40上に成膜して構成されている。光反射層41を有する高剛性光反射層支持層40は、樹脂39により、応力緩和層38と接着されている。 The substrate 30 has a thickness of 300 μm. In this configuration, the vibration film 36 has a circular shape with a diameter of 30 μm. The height of the vibration film support portion 35 is 300 nm, and the gap 34 is 200 nm. Further, the stress relaxation layer 38 is disposed on the receiving surface, and the light reflection layer 41 is disposed on the stress relaxation layer 38. In order to maintain the rigidity of the light reflection layer 41, the light reflection layer 41 is formed on the high-rigidity light reflection layer support layer 40. The high-rigidity light reflection layer support layer 40 having the light reflection layer 41 is bonded to the stress relaxation layer 38 with a resin 39.

応力緩和層38は、PDMSである。応力緩和層38の音響インピーダンスは1.8MRaylsであり、厚さは50μmである。応力緩和層38の音響インピーダンスは、1MRaylsから2MRaylsが望ましく、こうすれば応力緩和層と受信面との界面での音響波の反射はほぼ発生しない。従って、音響波を受信する際、受信信号の強度劣化を起こさない。応力緩和層38は、スピンコート、滴下、型を用いた圧入、あるいは、型形成した応力緩和層を張り付けることで作製することができる。 The stress relaxation layer 38 is PDMS. The acoustic impedance of the stress relaxation layer 38 is 1.8 MRayls and the thickness is 50 μm. The acoustic impedance of the stress relaxation layer 38 is preferably 1 MRayls to 2 MRayls, so that almost no acoustic wave reflection occurs at the interface between the stress relaxation layer and the receiving surface. Therefore, when receiving an acoustic wave, the received signal does not deteriorate in intensity. The stress relaxation layer 38 can be produced by spin coating, dripping, press-fitting using a mold, or pasting a formed stress relaxation layer.

光反射層41は金であり、光反射層41を支持する高剛性光反射層支持層40は、ポリカーボネートである。これのヤング率は、2.5x10Paであり、厚みは100μmである。応力緩和層38はヤング率が低いため、光反射層41の応力等によって、光反射層がたわむ、あるいは、変形することがある。また、光反射層41と応力緩和層38との密着性が低い場合、光反射層が剥離することがある。本構成では、光反射層41は応力緩和層38より剛性の高い光反射層支持層40上に形成されているため、光反射層支持層40を応力緩和層38上に接着しても、光反射層41がたわむ、あるいは、変形することを防止することができる。また、光反射層41は光反射層支持層40によって支持されており、光反射層支持層40と応力緩和層38とは、密着力の高い接着方法あるいは接着剤により接着することができる。従って、応力緩和層上に光反射層を直接成膜する場合と比較して、密着力を向上することができる。 The light reflection layer 41 is gold, and the high-rigidity light reflection layer support layer 40 that supports the light reflection layer 41 is polycarbonate. This has a Young's modulus of 2.5 × 10 9 Pa and a thickness of 100 μm. Since the stress relaxation layer 38 has a low Young's modulus, the light reflection layer may be bent or deformed by the stress of the light reflection layer 41 or the like. In addition, when the adhesion between the light reflection layer 41 and the stress relaxation layer 38 is low, the light reflection layer may be peeled off. In this configuration, since the light reflection layer 41 is formed on the light reflection layer support layer 40 having a higher rigidity than the stress relaxation layer 38, the light reflection layer support layer 40 can be bonded to the stress relaxation layer 38 even if the light reflection layer support layer 40 is bonded. It is possible to prevent the reflective layer 41 from being bent or deformed. Further, the light reflecting layer 41 is supported by the light reflecting layer support layer 40, and the light reflecting layer support layer 40 and the stress relaxation layer 38 can be bonded by a bonding method or an adhesive having high adhesion. Therefore, the adhesion can be improved as compared with the case where the light reflecting layer is directly formed on the stress relaxation layer.

光反射層支持層40のポリカーボネートの音響インピーダンスは2.4MRaylsである。応力緩和層38と高剛性光反射層支持層40および受信面との音響インピーダンスの差が比較的小さいため、各界面での音響波の反射は非常に小さい。従って、音響波信号の強度を低下させずに受信することができる。高剛性光反射層支持層40は、音響インピーダンスが応力緩和層38の音響インピーダンスとほぼ同等のものであればよく、アクリル、ポリイミド、ポリエチレン等でもよい。高剛性光反射層支持層40の音響インピーダンスは、1MRaylsから5MRaylsが望ましい。高剛性光反射層支持層40と応力緩和層38との接着のための樹脂39は、シリコン系の接着剤を用いることができる。また、エポキシ等の接着剤を使用することもできる。本実施例においても、上記実施形態や実施例と同様な効果を奏することができる。 The acoustic impedance of the polycarbonate of the light reflection layer support layer 40 is 2.4 MRayls. Since the difference in acoustic impedance between the stress relaxation layer 38, the high-rigidity light reflecting layer support layer 40, and the receiving surface is relatively small, reflection of acoustic waves at each interface is very small. Therefore, it can be received without reducing the intensity of the acoustic wave signal. The high-rigidity light reflecting layer support layer 40 may have any acoustic impedance that is substantially equal to the acoustic impedance of the stress relaxation layer 38, and may be acrylic, polyimide, polyethylene, or the like. The acoustic impedance of the high-rigidity light reflecting layer support layer 40 is preferably 1 MRayls to 5 MRayls. As the resin 39 for bonding the high-rigidity light reflection layer support layer 40 and the stress relaxation layer 38, a silicon-based adhesive can be used. Also, an adhesive such as epoxy can be used. Also in this example, the same effects as those of the above embodiment and examples can be obtained.

(実施例3)
上記各実施例の電気機械変換装置は、光音響イメージング技術を利用した光音響装置に用いることができる。光音響イメージングは、まずパルス光を被検体に照射し、被検体内で伝播・拡散した光のエネルギーを光吸収体が吸収することで発生した音響波を受信する。そしてこの音響波の受信信号を用いることにより被検体内部の情報を画像化する技術である。この技術により、被検体内の初期圧力発生分布や光吸収係数分布などの光学的な特性分布情報を画像データとして得ることができる。
(Example 3)
The electromechanical transducer of each of the above embodiments can be used for a photoacoustic apparatus using a photoacoustic imaging technique. In photoacoustic imaging, a subject is first irradiated with pulsed light, and an acoustic wave generated by the absorption of light energy propagated and diffused in the subject is received. This is a technique for imaging information inside the subject by using the received acoustic wave signal. With this technique, optical characteristic distribution information such as an initial pressure generation distribution and a light absorption coefficient distribution in the subject can be obtained as image data.

本発明が適用できる光音響装置の模式図を図3に示す。本発明の光音響装置は、光源51、音響波受信器である上記各実施例の電気機械変換装置57、信号処理部59、データ処理部50を少なくとも有する。本実施例では、光源51から発振する光52は、レンズやミラー、光ファイバ等の光学部材54を介して被検体53に照射される。被検体内では、照射された光により、被検体内の光吸収体55(例えば腫瘍や血管等)で吸収され、音響波56が発生する。音響波受信器57は音響波56を受信して電気信号に変換し、前記電気信号を信号処理部59に出力する。信号処理部59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50へ出力する。データ処理部50は、入力された信号を用いて画像データに変換し、表示部58に出力する。表示部58は入力された画像データに基づいて画像を表示する。 A schematic diagram of a photoacoustic apparatus to which the present invention can be applied is shown in FIG. The photoacoustic apparatus of the present invention includes at least the light source 51, the electromechanical transducer 57 of each of the above embodiments that is an acoustic wave receiver, a signal processing unit 59, and a data processing unit 50. In this embodiment, the light 52 oscillated from the light source 51 is applied to the subject 53 via an optical member 54 such as a lens, a mirror, or an optical fiber. In the subject, the irradiated light is absorbed by a light absorber 55 (for example, a tumor or a blood vessel) in the subject, and an acoustic wave 56 is generated. The acoustic wave receiver 57 receives the acoustic wave 56 and converts it into an electrical signal, and outputs the electrical signal to the signal processing unit 59. The signal processing unit 59 performs signal processing such as A / D conversion and amplification on the input electric signal and outputs the signal to the data processing unit 50. The data processing unit 50 converts the input signal into image data and outputs it to the display unit 58. The display unit 58 displays an image based on the input image data.

以上、本発明の光音響装置により、音響波受信器である電気機械変換装置は、光反射膜を有するため、光が受信面に入射せず、ノイズの少ない画像データを生成することができる。 As described above, according to the photoacoustic apparatus of the present invention, since the electromechanical transducer that is an acoustic wave receiver has the light reflection film, light is not incident on the receiving surface and image data with less noise can be generated.

1…素子、2…セル構造、3…基板(電極)、4…振動膜支持部、5…間隙、6…光反射層、7…振動膜、8…アルミ薄膜(電極)、9…応力緩和層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Element, 2 ... Cell structure, 3 ... Board | substrate (electrode), 4 ... Vibration film support part, 5 ... Gap, 6 ... Light reflection layer, 7 ... Vibration film, 8 ... Aluminum thin film (electrode), 9 ... Stress relaxation layer

Claims (14)

複数のセル構造を含み構成される静電容量型の電気機械変換装置であって、
前記セル構造は、基板上の積層方向に、第一の電極と、該第一の電極と間隙を隔てて設けられている第二の電極を含み構成される振動膜とを、有し、
前記複数のセル構造に対応した光反射層が、前記振動膜上に設けられており、且つ
前記振動膜と前記光反射層との間には、前記複数のセル構造に対して共通に用いられる応力緩和層が設けられていることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
A capacitance type electromechanical transducer including a plurality of cell structures,
The cell structure includes a first electrode in a stacking direction on a substrate, and a vibration film configured to include a second electrode provided with a gap from the first electrode,
A light reflection layer corresponding to the plurality of cell structures is provided on the vibration film, and is commonly used for the plurality of cell structures between the vibration film and the light reflection layer. A capacitance-type electromechanical transducer having a stress relaxation layer.
前記応力緩和層は、前記複数のセル構造により形成される受信面よりも大きい領域に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is disposed in a region larger than a receiving surface formed by the plurality of cell structures. 前記応力緩和層は、前記振動膜よりも厚いことを特徴とする請求項1あるいは2に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is thicker than the vibration film. 前記応力緩和層は、前記光反射層の応力による前記振動膜への影響を緩和するための層であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 4. The capacitance-type electrostatic capacitor according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is a layer for relaxing an influence on the vibration film due to stress of the light reflection layer. 5. Electromechanical converter. 前記応力緩和層は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)を含み構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 5. The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the stress relaxation layer includes polydimethylsiloxane (PDMS). 6. 前記光反射層は、前記応力緩和層上の全面に設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The electrostatic electromechanical transducer according to claim 1, wherein the light reflecting layer is provided on the entire surface of the stress relaxation layer. 前記セル構造が二次元配列されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the cell structures are two-dimensionally arranged. 前記振動膜は、前記第二の電極と窒化シリコン膜を含み構成されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 8. The electrostatic capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the vibration film includes the second electrode and a silicon nitride film. 9. 前記基板は、シリコン基板あるいは絶縁性の基板を含み構成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the substrate includes a silicon substrate or an insulating substrate. 前記光反射層は、Al、Au、あるいは誘電体多層膜であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The electrostatic electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 9, wherein the light reflecting layer is Al, Au, or a dielectric multilayer film. 前記光反射層は、前記積層方向の厚さが、10μm以下であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 11. The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the light reflecting layer has a thickness in the stacking direction of 10 μm or less. 前記応力緩和層と前記光反射層との間に、該応力緩和層より剛性が高い光反射支持層を有することを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The capacitance type according to any one of claims 1 to 11, wherein a light reflection support layer having higher rigidity than the stress relaxation layer is provided between the stress relaxation layer and the light reflection layer. Electromechanical converter. 前記応力緩和層は、前記振動膜と該応力緩和層との界面での音響波の反射を低減できるように、その音響インピーダンスが調整されていることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。 The acoustic impedance of the stress relaxation layer is adjusted so that reflection of acoustic waves at an interface between the vibration film and the stress relaxation layer can be reduced. The capacitance-type electromechanical transducer according to Item 1. 光源、
該光源からの光を導き、被検体に照射するための、光ファイバ、
請求項1から13のいずれか1項に記載の電気機械変換装置、
前記電気機械変換装置からの信号をA/D変換する信号処理部、及び
前記信号処理部からの出力信号を用いて、被検体内部の情報に関する画像データを生成するデータ処理部を有することを特徴とする光音響装置。
light source,
An optical fiber for guiding the light from the light source and irradiating the subject;
The electromechanical transducer according to any one of claims 1 to 13,
A signal processing unit that performs A / D conversion on a signal from the electromechanical converter, and a data processing unit that generates image data relating to information inside the subject using an output signal from the signal processing unit. A photoacoustic apparatus.
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