JP4755500B2 - 超音波探触子 - Google Patents

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Description

本発明は、超音波を送受信するための超音波探触子に関する。
被検体を超音波で検査する分野で適用されている従来の超音波探触子として、シリコン基板上に作製したギャップ、絶縁層、電極で送受信素子を構成し、そのシリコン基板の反対面に音響インピーダンスが整合するダンピング層を設置した超音波探触子が案出されている。この超音波探触子は、電極とシリコン基板との間にＤＣ電圧（バイアス電圧）を印加して、ある所定の位置までギャップを縮めておき、更に電極とシリコン基板との間にＡＣ電圧（超音波送波用駆動電圧）を印加して、ギャップを伸縮することにより超音波を送信する機能を備えている。また、被検体に当たり反射してくる超音波により、電極とシリコン基板との間の容量変化を検出して超音波を受信する機能も兼ね備えている。ここで、ダンピング層は、送受信時の超音波の反射を低減する役割を有する。具体的なダンピング層としては、エポキシ樹脂にタングステン微粒子を混合することによりシリコン基板との音響インピーダンスを整合させた材料が用いられる。かかる従来技術に関するものとしては、例えば、米国特許第６７１４４８４Ｂ２号明細書（特許文献１）が挙げられる。
米国特許第６７１４４８４Ｂ２号明細書
静電駆動によって超音波を送受信する超音波探触子では、高密度に超音波トランスデューサを形成する必要があるため、半導体製造技術、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術による微細加工で超音波探触子が製作される。これらの微細加工技術は、シリコンをベース基板として適用されるものである。超音波探触子では、送受信時の反射を低減するために、シリコン基板とダンピング層との間で音響インピーダンスを整合させる必要がある。そこで、特許文献１では、ベース基板とダンピング層との音響インピーダンスを整合させるため、ダンピング層の材料としてエポキシ樹脂にタングステン微粒子を適量だけ混合した材料を用いている。この場合、ベース基板とダンピング層との音響インピーダンスの整合は可能であるが、ベース基板とダンピング層との線膨張係数が異なるため、温度変化によるベース基板の変形によりベース基板が壊れる可能性があり、構造信頼性が不十分であるという課題があった。
本発明の目的は、温度変化によるシリコン基板の損傷を防止することができ、送受信性能及び構造信頼性に優れた超音波探触子を提供することにある。
前述の目的を達成するために、本発明は、シリコン基板及び超音波送受信素子を有する第１基板と、前記第１基板の上面に設置された音響レンズと、前記第１基板の下方に設置されたダンピング層とを備える超音波探触子において、前記第１基板の下面と前記ダンピング層の上面との間に第２基板を設置し、前記第２基板を、前記第１基板のシリコン基板とほぼ同じ線膨張係数を有し且つ音響インピーダンスが近い材料である窒化アルミニウムまたは４２アロイで形成したことにある。
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記第１基板は下部電極を兼ねる前記シリコン基板上に絶縁層、ギャップ及び上部電極を設けて前記超音波送受信素子を構成していること。
（２）前記（１）において、前記超音波送受信素子は、前記下部電極を兼ねる前記シリコン基板、前記シリコン基板の上面に形成された第１絶縁層、前記第１絶縁層の上面に形成された第２絶縁層、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に形成された複数の前記ギャップ、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する位置に形成された複数の前記上部電極とから形成されていること。
（３）前記第１基板は前記シリコン基板上に絶縁層、下部電極、ギャップ及び上部電極を設けて前記超音波送受信素子を構成していること。
（４）前記（３）において、前記超音波送受信素子は、前記シリコン基板の上面に形成された第１絶縁層、前記第１絶縁層の上面に形成された第２絶縁層、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に形成された複数の前記ギャップ、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する下方の位置に形成された前記下部電極、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する上方の位置に形成された複数の前記上部電極とから形成されていること。
（５）前記第１基板と前記第２基板、前記第２基板と前記ダンピング層をそれぞれ接着層を介して固定したこと。
（６）前記シリコン基板上の絶縁層が酸化シリコン、窒化シリコンの少なくとも１種以上で形成されていること。
本発明によれば、温度変化によるシリコン基板の損傷を防止することができ、送受信性能及び構造信頼性に優れた超音波探触子を実現できる。
以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の超音波探触子を図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の超音波探触子２の断面図、図２は図１の超音波送受信素子３部分の拡大図、図３は図２の超音波送受信素子３の動作原理を説明する図である。
超音波探触子２は、図１に示すように、シリコン基板２１（図２参照）及び送受信素子部Ａ（詳細は図２参照）を有する第１基板２０と、第１基板２０の上面に設置された音響レンズ１１と、第１基板２０の下方に設置されたダンピング層４１と、第１基板２０の下面とダンピング層４１の上面との間に設置された第２基板３１と、を備えて構成されたリニア型超音波探触子である。
ダンピング層４１は、送受信時の超音波の反射を低減するかつ透過した超音波を減衰させる役割を有するものであり、図１及び図２に示すように、第１基板２０や第２基板３１よりも十分に厚く形成され、超音波探触子２の底部を構成するように配置されている。このダンピング層４１の材料は、シリコン基板２１と音響インピーダンスが近いものとなるように、エポキシ樹脂に多重反射により超音波を減衰させる目的でタングステンの微粒子を混合した材料、或いはフェライトゴムが用いられる。
第２基板３１は、温度変化によるシリコン基板２１の損傷を防止する役割を有するものであり、図２に示すように、シリコン基板２１の厚さとほほ同じ厚さ，もしくは厚く形成され、ダンピング層４１の上面と第１基板２０のシリコン基板２１の下面との間に配置されている。この第２基板３１の材料は、シリコン基板２１と線膨張係数がほぼ同じで音響インピーダンスが近い材料である窒化アルミニウムまたは４２アロイが用いられる。
図１の第１基板２０は、超音波送受信の役割を有するものであり、図２に示すように、シリコン基板２１上に第１絶縁層２２を形成し、その上にギャップ２４、上部電極２５を内部に備えた第２絶縁層２３により構成され、音響レンズ１１と第２基板３１との間に配置されている。この第１基板２０には、複数の超音波送受信素子３が形成されている。
なお、ダンピング層４１、第２基板３１、第１基板２０及び音響レンズ１１は、それぞれの間に接着層４２、３２、１２を介して固定され、下から上へこの順に多層となるように形成されている。接着層４２、３２、１２の材料は、エポキシ系樹脂が用いられる。
超音波送受信素子３は、超音波送受信機能を有するように、シリコン基板２１、第１絶縁層２２、第２絶縁層２３、ギャップ２４、及び上部電極２５を備えて構成されている。この超音波送受信素子３はシリコン基板２１と上部電極２５との間に電圧を印加して、ギャップ２４上の膜（第２絶縁層２３、上部電極２５）を振動させて、超音波を送受信するものである。なお、シリコン基板２１、第１絶縁層２２、第２絶縁層２３及び上部電極２５は、下から上へこの順に多層となるように形成されている。
シリコン基板２１は、第２基板３１の上面に接着層３２を介して配置され、超音波送受信素子３の下部電極を兼ねている。第１絶縁層２２は、下部電極を兼ねるシリコン基板２１と上部電極２５との電気的絶縁性を確保するように、シリコン基板２１の上面に配置されており，その厚さは，５０〜４００ｎｍで形成する。第２絶縁層２３は、第１絶縁層２２の上面に配置され、その下面に凹部を形成して第１絶縁層２２との間に複数のギャップ２４を形成すると共に、各ギャップ２４に対応する上方位置に複数の上部電極２５を埋設している。ギャップ２４は，１００〜３００ｎｍ、上部電極２５の厚さは，４００ｎｍである。第２絶縁層２３は、ギャップ２４の形成及び上部電極２５の埋設をするため、第１絶縁層２２より厚く、その厚さは、２０００ｎｍで形成されている。特に、第２絶縁層２３は、超音波送受信素子３の特性である音圧、中心周波数，比帯域に影響するため、用途により調整することで、幅広い被検体の検査に適用可能である。
第１絶縁層２２及び第２絶縁層２３は、窒化シリコン、酸化シリコンの少なくとも１種類以上の材料で形成されることが好ましい。上部電極２５は、各ギャップ２４の直上に位置して、第２絶縁層２３内に形成されている。この上部電極２５は、アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化チタン，チタンで形成されることが好ましい。
音響レンズ１１は、被検体（図示せず）との間の音響インピーダンスを整合させ，かつ超音波のフォーカスを行う役割を有するものであり、図２に示すように、第１基板２０や第２基板３１よりも十分に厚く形成され、超音波探触子２の上面部を構成するように配置されている。音響レンズ１１は、第２絶縁層２３の上面に接着層３２を介して配置されている。音響レンズ１１の上面は、被検体のフォーカスする深度すなわち検出する用途により、曲率は変わるが上方に突出する緩やかな円弧状に形成されている。
係る構成の超音波探触子２における超音波送受信の動作原理を、図３を参照しながら説明する。
超音波の送信をする場合には、まず、図３（ａ）の状態で下部電極を兼ねるシリコン基板２１と上部電極２５との間にＤＣバイアス電圧を印加することにより、図３（ｂ）に示すようにギャップ２４をある所定位置まで縮める。この状態で、下部電極を兼ねるシリコン基板２１と上部電極２５との間に超音波送信用ＡＣ電圧を印加することにより、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すようにギャップ２４を伸縮させることで超音波を発生させる。なお、図１の超音波送受信素子３から発生した超音波は、音響レンズ１１を介して、被検体へと送信される。
一方、超音波を受信する場合には、下部電極を兼ねるシリコン基板２１と上部電極２５との間にＤＣバイアス電圧を印加してギャップ２４をある所定位置まで縮めた状態としておくと、図３（ｅ）及び図３（ｆ）に示すように被検体より反射してきた超音波によりギャップ２４が伸縮する。このギャップ２４の伸縮により、シリコン基板２１と上部電極２５との間の静電容量が変化するので、この変化を検出することにより超音波を検出することができる。
本実施形態において、シリコン基板２１は線膨張係数が３．５、音響インピーダンスが２１ｋｇ／ｍ２ｓ、４２アロイは線膨張係数が４〜５、音響インピーダンスが４７ｋｇ／ｍ２ｓ、窒化アルミニウムは線膨張係数が３．７、音響インピーダンスが３４ｋｇ／ｍ２ｓ、ダンピング層４１は線膨張係数が１００〜、音響インピーダンスが〜１０ｋｇ／ｍ２ｓである。
２つの材料の境界での、音響インピーダンスの差による超音波の反射率ｒは、ｒ＝（Ｚ１−Ｚ２）／（Ｚ１＋Ｚ２）で表され、上述したシリコン基板２１−ダンピング層４１の反射率ｒは，０.３５である。一方，その間に窒化アルミニウムまたは４２アロイの第２基板３１を搭載した場合，シリコン基板２１−窒化アルミニウムの反射率ｒ：０.２４，シリコン基板２１−４２アロイの反射率ｒ：０.３８であり，シリコン基板２１−ダンピング層４１の反射率と同等である。また，窒化アルミニウム−ダンピング層４１の反射率ｒ：０.５４，４２アロイ−ダンピング層４１の反射率ｒ：０.６４であるが，シリコン基板２１と第２基板３２との間で透過する超音波を考慮すると，窒化アルミニウムを用いた場合の反射率ｒ：０.４１，４２アロイを用いた場合の反射率ｒ：０．３９であり，ダンピング層４１の反射率と同等である。例えば、シリコン基板から出た超音波を１とした場合，シリコン基板と第２基板との界面での反射は，０．２４（窒化アルミ），０．３８（４２アロイ）であるため，透過する超音波は，０．７６（窒化アルミ），０．６２（４２アロイ）となる．第２基板とダンピング層との界面の反射は，０．７６×０．５４＝０．４１（窒化アルミ），０．６２×０．６４＝０．３９（４２アロイ）となる。一方、シリコン基板２１とダンピング層４１との線膨張係数の差が大きいため、シリコン基板２１とダンピング層４１とを直接接着すると、温度上昇による構造信頼性が低下し、シリコン基板２１に応力が集中して破壊する可能性がある。そこで、本実施形態では、シリコン基板２１とダンピング層４１との間に窒化アルミニウムまたは４２アロイの第２基板３１を介在させることで、シリコン基板２１への応力集中を緩和して構造信頼性を格段に向上することができる。
なお、シリコン基板２１とダンピング層４１との間に前記第２基板３１を介在させても、シリコン基板２１とダンピング層４１との間の反射率ｒは小さいので、超音波送受信素子３の後方へ放射される超音波が効率よくダンピング層４１へ伝播される。
以上説明したように、本実施形態によれば、第１基板２０の下面とダンピング層４１の上面との間に第２基板３１を設置し、第２基板３１を、第１基板２０のシリコン基板２１とほぼ同じ線膨張係数及び音響インピーダンスを有する材料で形成しているので、温度変化によるシリコン基板２１の損傷を防止することができ、送受信性能及び構造信頼性に優れた超音波探触子２を実現できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の超音波探触子について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施形態の超音波探触子の要部拡大図である。この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
この第２実施形態では、超音波送受信素子３は、シリコン基板２１の上面に形成された第１絶縁層２２と、第１絶縁層２２の上面に形成された第２絶縁層２３と、第２絶縁層２３の内部に形成された複数のギャップ２４と、第１絶縁層２２の上面で且つ複数のギャップ２４のそれぞれの下部に第２絶縁層２３を介して形成された下部電極２７と、第２絶縁層２３内における複数のギャップ２４のそれぞれに対応する位置に形成された複数の上部電極２５と、から形成されている。この超音波送受信素子３は、上部電極２５と下部電極２７との間に前述のように電圧を印加することにより駆動される。なお、下部電極２７は、上部電極２５と同様に、アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化チタンで形成されることが好ましい。
本実施形態では、下部電極２７を、第１実施形態のように下部電極をシリコン基板とするのではなく、超音波送受信素子毎に個別に配置してあるので、超音波送受信素子３を個別に駆動することが可能である。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。図５は本発明の第３実施形態の超音波探触子の要部拡大図である。この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。
この第３実施形態の超音波探触子２は、コンベックス型超音波探触子の構造である。コンベックス型超音波探触子２では、第１実施形態に示した超音波送受信素子３を備えたシリコン基板２１、第２基板３１およびダンピング層４１並びに音響レンズ１１で構成され、シリコン基板２１及び第２基板３１は所定の曲率（例えば，４０ｍｍ）をもって曲げて設置されている。ここで、シリコン基板２１は、曲げて設置するため、５０μｍ以下にすることが好ましい。また、第２基板３１としては、セラミック材料である窒化アルミニウムは加工が困難であるため、加工が容易な４２アロイを第２基板３１を用いることが好ましい。
本発明の第１実施形態の超音波探触子の断面図である。 図１の超音波送受信素子部分の拡大図である。 図２の超音波送受信素子の動作原理を説明する図である。 本発明の第２実施形態の超音波探触子の超音波送受信素子部分の拡大図である。 本発明の第３実施形態の超音波探触子の断面図である。
符号の説明
２…超音波探触子、３…超音波送受信素子、１１…音響レンズ、１２…接着層、２０…第１基板、２１…シリコン基板、２２…絶縁層、２３…絶縁層、２４…ギャップ、２５…上部電極、２７…下部電極、３１…第２基板、３２…接着層、４１…ダンピング層、４２…接着層。

Claims (7)

  1. シリコン基板及び超音波送受信素子を有する第１基板と、
    前記第１基板の上面に設置された音響レンズと、
    前記第１基板の下方に設置されたダンピング層とを備える超音波探触子において、
    前記第１基板の下面と前記ダンピング層の上面との間に第２基板を設置し、
    前記第２基板を、前記第１基板のシリコン基板とほぼ同じ線膨張係数を有し且つ音響インピーダンスが近い材料である窒化アルミニウムまたは４２アロイで形成したこと、
    を特徴とする超音波探触子。
  2. 請求項１記載の超音波探触子において、前記第１基板は下部電極を兼ねる前記シリコン基板上に絶縁層、ギャップ及び上部電極を設けて前記超音波送受信素子を構成していること、を特徴とする超音波探触子。
  3. 請求項２に記載の超音波探触子において、前記超音波送受信素子は、前記下部電極を兼ねる前記シリコン基板、前記シリコン基板の上面に形成された第１絶縁層、前記第１絶縁層の上面に形成された第２絶縁層、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に形成された複数の前記ギャップ、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する位置に形成された複数の前記上部電極とから形成されていること、を特徴とする超音波探触子。
  4. 請求項１に記載の超音波探触子において、前記第１基板は前記シリコン基板上に絶縁層、下部電極、ギャップ及び上部電極を設けて前記超音波送受信素子を構成していること、を特徴とする超音波探触子。
  5. 請求項４に記載の超音波探触子において、前記超音波送受信素子は、前記シリコン基板の上面に形成された第１絶縁層、前記第１絶縁層の上面に形成された第２絶縁層、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に形成された複数の前記ギャップ、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する下方の位置に形成された前記下部電極、前記第２絶縁層内における前記複数のギャップのそれぞれに対応する上方の位置に形成された複数の前記上部電極とから形成されていること、を特徴とする超音波探触子。
  6. 請求項１から５の何れかに記載の超音波探触子において、前記第１基板と前記第２基板、前記第２基板と前記ダンピング層をそれぞれ接着層を介して固定したこと、を特徴とする超音波探触子。
  7. 請求項２または４に記載の超音波探触子において、前記シリコン基板上の絶縁層が酸化シリコン、窒化シリコンの少なくとも１種以上で形成されていること、を特徴とする超音波探触子。
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