JP4632853B2 - 静電容量型超音波振動子とその製造方法 - Google Patents
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本実施形態では、メンブレンの中心部近傍に弾性変形しにくい領域を構成し、メンブレン周囲に弾性変形しやすい領域を構成し、中心近傍は電極間の電束が電極に垂直になるようにして、メンブレン全体として大きな変位をする構造を有し、かつ、駆動電圧と変位との関係に非線形性を生じない、即ち、高調波成分を含まない、ハーモニックイメージングに適したcMUTについて説明する。
図2は、超音波内視鏡装置を説明する図である。図2に示すように本実施形態の超音波内視鏡装置1は、超音波内視鏡(以下、内視鏡と略記する)2と、内視鏡観察装置3と、超音波観測装置4と、モニタ5とから構成される。
前記挿入部11は、先端側から順に、先端部6と、湾曲部7と、可撓管部8とから構成されている。先端部6は、硬質部材で形成したものである。湾曲部7は、この先端部6の基端側に連設する湾曲自在な部分である。可撓管部8は、この湾曲部7の基端側に連設して前記操作部12の先端側に至る細径かつ長尺で、可撓性を有する部分である。
図3は、本実施形態における溝列をメンブレン上面に配置したcMUT振動子エレメントの断面を示す。同図において、静電容量型超音波振動子エレメント31は、シリコン基板32、下部電極33、誘電体膜34、メンブレン支持部35、メンブレン36、キャビティ(空隙部)40、上部電極39、接地側電極パッド37、拡散層38、信号入出力端子電極パッド41、基板スルーホール42、基板スルーホール配線42a、導通孔(ヴィアホール)43、ヴィアホール配線44、溝列45から構成される。
図10は、図6のcMUTセルの上面図を示す。図10は、図6の破線で囲まれた部分のセル70の上面を示している。上部電極膜39は、上部電極39aと上部電極接続配線39bとを構成している。同図に示すように、溝列45は、メンブレンの周縁部に同心円の弧状に形成されている。従って、溝列の集積している部分は変形しやすいので、湾曲しやすい。また、犠牲層除去孔47はメンブレン上に形成されている。
次に、犠牲層除去孔101を形成する(S7)。ここでは、メンブレン支持部98の上部に対応する犠牲層封止膜100の部分から、犠牲層99が充填されている部分(後にキャビティとなる部分)に向かって犠牲層除去孔101を形成する。例えば、S6の処理後のシリコン基板90を傾けた状態にし、メンブレン支持部98の上面から犠牲層99が充填されている部分(後にキャビティとなる部分)に向かってイオンエッチングを行う。
次に、エレメント上面と、溝104の内壁及び底部に電極膜(上部電極)105を形成する(S10)。次に、メンブレン上に溝形成用レジスト106を形成する。溝形成用レジスト106は、メンブレンの両端(メンブレン支持部側)に設ける(S11)。
本実施形態では、メンブレンに対して傾斜している面を少なくとも1箇所備える弾性体がメンブレンの上面に形成されたcMUTについて説明する。なお、本実施形態におけるcMUTは、第1の実施形態と同様に、超音波内視鏡装置に限定されず、カプセル型超音波内視鏡に搭載してもよい。
図16のcMUTは超音波画像の空間分解能の向上に、図17のcMUTは画像の輝度向上につながる。
<第3の実施形態>
本実施形態は、第2の実施形態によるcMUTを実装したものである。本実施形態では、超音波ビームを集束させるための音響レンズをメンブレンの上方に設けたcMUTについて説明する。本実施形態は、図17のcMUTと同様の効果に、音響レンズなどで超音波ビームを集束させるができる。なお、本実施形態におけるcMUTは、第1の実施形態と同様に、超音波内視鏡装置に限定されず、カプセル型超音波内視鏡に搭載してもよい。
図21は、本実施形態におけるメンブレンの上方に凸形状の音響レンズを設けたcMUTを示す。cMUT155は、複数のエレメントまたはアレイから構成されている。cMUT155はハウジング部材152に格納されており、そのハウジング部材の天井部分のうちメンブレンの超音波放射面の上方にかかる部分に凸形状の音響レンズ150a(例えば、シリコーン樹脂等で構成されている)が設けてある。
201 メンブレン
202 湾曲部
203 メンブレン中央部
204 メンブレン支持部
1 超音波内視鏡装置
2 超音波内視鏡
3 内視鏡観察装置
4 超音波観測装置
5 モニタ
31 静電容量型超音波振動子エレメント
32 シリコン基板
33 下部電極
34 誘電体膜
35 メンブレン支持部
36 メンブレン
37 接地側電極パッド
38 拡散層
39 上部電極
40 キャビティ
41 信号入出力端子電極パッド
42 基板スルーホール
42a 基板スルーホール配線
43 導通孔(ヴィアホール)
44 ヴィアホール配線
45,46 溝列
47,48 犠牲層除去孔
120,131,132 弾性体
150(150a,150b) 音響レンズ
152 メタルパッケージ(ハウジング部材)
155 cMUT
Claims (17)
- シリコン基板と、前記シリコン基板の上面に配設された第1の電極と、前記第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、前記第2の電極を支持するメンブレンと、前記メンブレンを支持するメンブレン支持部とからなる振動子セルから構成された振動子エレメントを集積してなる静電容量型超音波振動子であって、
前記メンブレンの端部が該メンブレンの中央部よりも相対的に変形しやすくなるように、前記中央部に弾性構造体を配置してなることを特徴とする静電容量型超音波振動子。 - 前記メンブレンの中央部よりも相対的に変形する該メンブレンの端部の変位が屈曲変位であることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記メンブレンの端部に設けられた少なくとも一列の溝を含むことを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記メンブレンは略円形状をしており、前記溝がメンブレン周縁部近傍に略同心円状に設けられている溝列であることを特徴とする請求項3に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記溝が、略円弧状に複数形成されていることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記溝は、前記メンブレンの上面及び下面のうち少なくとも一方の面に形成されていることを特徴とする請求項3に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記メンブレンと前記メンブレン支持部と前記シリコン基板とよって囲まれている空隙部と、該メンブレン支持部の上部との間に犠牲層を除去するための犠牲層除去孔を貫通させたことを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記弾性構造体は前記メンブレンの上面に形成され、
該弾性構造体は前記メンブレンの表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。 - 前記弾性構造体は前記メンブレンの上面に形成され、
該弾性構造体は曲面を有することを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。 - 前記超音波振動子は、前記振動子エレメントをアレイ状に複数配設したことを特徴とする請求項1〜9のうちいずれかに記載の静電容量型超音波振動子。
- 請求項1〜10のうちいずれかに記載の超音波振動子を搭載した体腔内挿入型超音波内視鏡装置。
- 請求項1〜10のうちいずれかに記載の超音波振動子を搭載した超音波カプセル内視鏡。
- シリコン基板と、前記シリコン基板の上面に配設された第1の電極と、前記第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、前記第2の電極を支持するメンブレンと、前記メンブレンを支持するメンブレン支持部とからなる振動子セルから構成された振動子エレメントを集積してなる静電容量型超音波振動子の製造方法において、
化学的エッチングまたはリアクティブイオンエッチングのいずれかにより前記メンブレンの端部に溝を設ける工程と、
前記メンブレンの上面で且つ中央部に弾性構造体を形成するグレイスケールマスク工程と、を含むことを特徴とする静電容量型超音波振動子の製造方法。 - 前記溝は、所定の位置に形成された犠牲層をエッチング処理で除去することにより、前記メンブレンの上面及び下面のうち少なくとも一方の面に形成されることを特徴とする請求項13に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 前記溝は、前記第1の電極と前記第2の電極との間の空隙部を設けるために形成された第1の犠牲層の上面に該第1の犠牲層と同一の材質からなる第2の犠牲層を形成し、該第2の犠牲層の上面に前記メンブレンを形成した後、エッチング処理により前記第1の犠牲層及び第2の犠牲層を除去することにより、前記メンブレンの下面に形成されることを特徴とする請求項13に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 前記グレイスケールマスク工程は、前記メンブレンの上面に、該メンブレンの超音波放射面に対して傾斜している弾性構造体を形成する工程であることを特徴とする請求項14、または15に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 前記グレイスケールマスク工程は、前記メンブレンの上面に、曲面を有する弾性構造体を形成する工程であることを特徴とする請求項14、または15に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
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