JP5153972B2 - 超音波振動子および超音波診断装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、静電容量型の超音波振動子および静電容量型の超音波振動子を具備した超音波診断装置に関する。
体内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
超音波振動子には、セラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されている。これに対して、日本国特開２００９−５５４７４に開示されているように、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）の開発が進んでいる。ｃ−ＭＵＴは、絶縁層を介して対向した固定電極と可動電極との間に電圧を印加することで、可動電極を振動して超音波を発生する。また超音波入射により両電極間隔が変化し、変動する容量値を検出することで超音波を検知する。
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波振動子および特性が安定した超音波診断装置を提供することを目的とする。
本発明の一の形態の超音波振動子は、基板と、前記基板上に順に積層された下部電極層と、下部絶縁層と、上部絶縁層と、上部電極層と、を有し、前記下部絶縁層と前記上部絶縁層とが、空隙部を介して対向配置されており、前記上部絶縁膜および前記下部絶縁膜は材料または厚みの少なくともいずれかが異なり、以下の（数式１）を満足する。
（数式１）
ただし、Ｋ１は前記下部絶縁層の比誘電率、Ｋ２は前記上部絶縁層の比誘電率、Ｔ１は前記下部絶縁層の層厚、Ｔ２は前記上部絶縁層の層厚、ρ１（ｘ）は前記下部絶縁層の中の電荷密度分布（ｘは前記下部電極層からの距離）、ρ２（ｙ）は前記上部絶縁層の中の電荷密度分布（ｙは前記上部電極層からの距離）。
また、本発明の別の形態の超音波診断装置は、上記記載の超音波振動子を具備する。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態の超音波振動子２について説明する。なお、以下の図は、説明のための、部材毎に縮尺等が異なる模式図である。
以下、本発明の第１実施形態の超音波振動子２について説明する。なお、以下の図は、説明のための、部材毎に縮尺等が異なる模式図である。
図１に示すように、超音波振動子（以下、「振動子」という）２は、基板１０と、基板１０上に順に積層された下部電極層１１と、下部絶縁層１２と、ギャップ層１４と、上部絶縁層１５と、上部電極層１６と、を具備し、下部絶縁層１２と上部絶縁層１５とは、空隙部１３を介して対向配置している。
なお、積層構造の説明において、各層の上下関係については、基板１０の表面から法線方向に遠ざかる方向を上方向とする。例えば、図１において、上部電極層１６は下部電極層１１の上方に配設されている。
静電容量型の振動子２は、上部電極層１６と下部電極層１１との間の距離の変化、すなわち上部電極層１６、上部絶縁層１５からなるメンブレン１８の振動により、超音波を送受信する。上部電極層１６上には保護層１７を配置し、保護層１７を含めてメンブレン１８としてもよい。
そして空隙部１３は、メンブレン１８が振動するための空間を構成している。なお、後述するように、下部電極層１１、空隙部１３、および上部電極層１６は上方から観察したときの形状は特に限定されないが円形などを適用することができる。基板１０の材質としては、特に限定されないが導電性を有する低抵抗シリコンウェハなどが挙げられる。基板１０の表面には絶縁層（不図示）が形成されていてもよい。
下部電極層１１は、例えばＭｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）、Ａｌ（アルミニウム）またはＣｕ（銅）等が挙げられる。また、下部電極層１１は２種以上の導電性材料を積層した多層構造でもよい。
下部電極層１１上には、下部電極層１１を被覆するように、下部絶縁層１２が形成されている。下部絶縁層１２は、例えば、プラズマＣＶＤ法により成膜される。下部絶縁層１２としては、酸化シリコン層、窒化シリコン層、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、またはハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等が挙げられる。しかし、後述するように、下部絶縁層１２の材料および層厚は上部絶縁層１５との関係において決定される。 下部絶縁層１２上には、空隙部１３を形成するギャップ層１４が形成されている。ギャップ層１４の形状はメンブレンの形状等にあわせて適宜決定される。
そして、ギャップ層１４上には、上部絶縁層１５が形成されている。上部絶縁層１５には、下部絶縁層１２と同様の材料を同様の方法で形成することができる。
上部絶縁層１５と下部絶縁層１２とは、材料または層厚の少なくともいずれかが異なる。例えば、材料が異なる場合では、下部絶縁層１２は層厚５００ｎｍの耐熱性に優れた酸化シリコン層であり、上部絶縁層１５は層厚５００ｎｍの窒化シリコン層である。また層厚が異なる場合では、下部絶縁層１２は層厚１５０ｎｍの酸化シリコン層であり、上部絶縁層１５は下部絶縁層１２より厚い層厚５００ｎｍの酸化シリコン層である。また、材料および層厚が異なる場合では、下部絶縁層１２は層厚１５０ｎｍの酸化シリコン層であり、上部絶縁層１５は層厚５００ｎｍの窒化シリコン層である。
なお、上部絶縁層１５／下部絶縁層１２の材料として、フッ素系樹脂、ポリイミド、エポキシ樹脂、またはポリパラキシリレン系樹脂等の有機絶縁材料を用いてもよい。
下部絶縁層１２と上部絶縁層１５との間には、ギャップ層１４により、大気圧、加圧または減圧状態の空隙部１３が形成されている。ここで、減圧状態とは、大気圧よりも圧力が低い状態を指し、いわゆる真空状態も含む。空隙部１３は、略円柱形状であり、上方から見て下部電極層１１と略同心上に設けられている。
上部絶縁層１５上には、上部電極層１６が形成されている。上部電極層１６は、上方から見て下部電極層１１と略同心上、すなわち下部電極層１１と対向する位置に設けられている。上部電極層１６は、例えば、Ａｌをスパッタリング法により成膜しパターニングすることで形成される。振動子２は、上方から見て略円形状を有するが、例えば正六角形状または矩形等でもよい。
上部電極層１６を構成する材料は、例えばＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等でもよい。また、上部電極層１６は２種以上の導電性材料を積層した多層構造でもよい。
上部電極層１６上には、保護層１７が形成されている。保護層１７は例えば、プラズマＣＶＤ法により形成された窒化シリコン層である。保護層１７は、酸化シリコン層、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）層、またはハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）層等でもよい。
また、図示しないが、保護層１７上には、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性および電気絶縁性に優れたポリパラキシリレン系樹脂またはポリイミド等の樹脂からなる層を形成してもよい。
一般に、下部絶縁層１２および上部絶縁層１５の層厚等は、送受信する超音波の周波数、出力、超音波受信感度および絶縁耐圧等の仕様に基づいて決定されるが、本願の振動子２は、さらに、以下の（数式１）を満足する。
（数式１）
図２、図３に示すように、Ｋ１は下部絶縁層１２の比誘電率、Ｋ２は上部絶縁層１５の比誘電率、Ｔ１は下部絶縁層１２の層厚、Ｔ２は上部絶縁層１５の層厚、ρ１（ｘ）は下部絶縁層１２の中の電荷密度分布、（ｘは下部電極層からの距離）、ρ２（ｙ）は上部絶縁層１５の中の電荷密度分布、（ｙは上部電極層からの距離）である。数式１の両辺の量を効果電荷量（ＥＥ）と名付ける。
なお、超音波振動子に駆動信号を印加すると、絶縁膜に電流が流れるような印加バイアスを使用している場合には、下部絶縁層および上部絶縁層に電荷が蓄積される。つまり、ρ１およびρ２の値が変化する。ただし、ρ１およびρ２の値は常に比例関係を保ちながら変化する。また、絶縁膜に電流が流れないような印加バイアスを使用したり、超音波振動子の駆動時にρ１、ρ２の値が変化しないようにしたりしてもよい。例えば、駆動時に上部絶縁層１５と下部絶縁層１２が接触しないように、駆動電圧を低くしたり、メンブレンを硬くしたり、上部絶縁層１５と下部絶縁層１２との間隔を大きくしたり、キャビティ内に接触防止のための障害物を配設したりしてもよい。メンブレンを硬くする方法としては、絶縁膜の厚みや直径を調整する方法等が挙げられる。
ここで、図３に絶縁層中の電荷分布の一例を示す。図３に示した例では電荷Ｅは電極層に近い領域に比較的多く存在し、上部絶縁層１５と下部絶縁層１２とでは密度分布ρが異なっている。
発明者は、鋭意研究した結果、振動子２の特性に影響を及ぼすのは、総電荷量ＥＴ、すなわち層中の全電荷量ではなく、電荷密度分布等が重要な要因であることを見いだすに至った。
図３において斜線で示される電荷密度分布の積分値が総電荷量ＥＴに相当する。例えば、下部絶縁層１２の総電荷量ＥＴ１は、以下の（数式２）で示される。
（数式２）
しかし、下部絶縁層１２の総電荷量ＥＴ１と上部絶縁層１５の総電荷量ＥＴ２とが同じであっても、振動子２の特性は安定しなかった。
これは、電極層に近い位置にある電荷Ｅと、電極層から遠い位置にある電荷Ｅと、が振動子２の特性に対して及ぼす影響が異なるためであった。よって絶縁層の厚みが振動子の特性に関ってくる。さらに、電極層の比誘電率Ｋも寄与していた。
そして、電極層からの距離、言い換えれば絶縁層の層厚方向の位置（ｘ、ｙ）と、その位置にある電荷Ｅとの積、および、それぞれの電極層の比誘電率Ｋが、振動子２の特性に影響を及ぼしていることが確認された。例えば電極層近傍に存在する電子（電荷）は数が多くても、電位への影響は小さい。そして電荷の量と位置と誘電率とを考慮した（式１）が、電位に影響を及ぼす蓄積電荷量である効果電荷量ＥＥを示している。
すなわち、（数式１）を満足すると、電荷の電位への影響が互いに等価となるために、振動子２の特性が安定する。
例えば、下部絶縁層１２として、層厚２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用い、Ｋ１＝４．０の場合、（数式２）で示される総電荷量ＥＴ１は、８Ｅ−８Ｃ／ｃｍ２であった。これに対して、上部絶縁層１５を、層厚５００ｎｍの窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、Ｋ２＝８．０の場合、（数式２）で示される総電荷量ＥＴ２は、６．４Ｅ−８Ｃ／ｃｍ２であった。
すなわち、下部絶縁層１２の総電荷量ＥＴ１と、上部絶縁層１５の総電荷量ＥＴ２とは異なる。
しかし、このとき、（数式１）の左辺の効果電荷量ＥＥ１は、４Ｅ-１３Ｃ／ｃｍであり、右辺の効果電荷量ＥＥ２は、４Ｅ-１３Ｃ／ｃｍであった。なお、「Ｅ-１３」は１０−１３を示している。
すなわち、（数式１）を満足していたので振動子２の特性は安定した。ちなみに、この効果電荷量の存在から、電極より絶縁膜表面までの電位差は、両者とも４．５Ｖとなる。
電荷密度分布の測定は、公知の測定装置を用いることができる。さらに、表層面を少しずつ除去しながら表面電位を測定してもよい。表面層の除去には、研磨法またはエッチング法を用いることができる。例えば、酸化シリコン層はバッファードフッ酸溶液により、１００ｎｍ／分の速度で徐々にエッチングされる。
上記説明のように、実施形態の超音波振動子２は、絶縁層への電荷蓄積の影響がないために、特性が安定している。
なお、（式１）を満足するように、効果電荷量ＥＥを調整するには、下部絶縁層１２と上部絶縁層１５との層厚を変えることが製法の容易性および制御の容易性の観点から好ましい。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡３について説明する。超音波内視鏡３の超音波送受部３０が具備する超音波振動子２Ａは、第１実施形態の超音波振動子２と同じであるため、説明は省略する。
次に、本発明の第２実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡３について説明する。超音波内視鏡３の超音波送受部３０が具備する超音波振動子２Ａは、第１実施形態の超音波振動子２と同じであるため、説明は省略する。
図４に示すように超音波内視鏡３は、挿入部４２と、操作部４３と、ユニバーサルコード４４と、を有する。ユニバーサルコード４４の基端部には内視鏡コネクタ４４Ａが設けられている。内視鏡コネクタ４４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）に電気コネクタ４５Ａを介して接続される電気ケーブル４５と、超音波観測装置（不図示）に超音波コネクタ４６Ａを介して接続される超音波ケーブル４６と、が延出している。
挿入部４２は、硬性部４７と、湾曲部４８と、可撓管部４９と、が連設されている。
そして、硬性部４７の先端側には、超音波を送受するための振動子２を具備する超音波送受部３０が設けられている。
図５および図６に示すように、超音波送受信部３０は、振動子アレイ３１と駆動回路３４とＦＰＣ３５とを有する。ＦＰＣ３５は、可撓性を有し両面に実装面が形成されたフレキシブル配線板であり、硬性部４７の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されている。
円筒状のＦＰＣ３５の外周面上には、２次元の超音波振動子アレイ（以下「振動子アレイ」という）３１が設けられている。振動子アレイ３１は、ＦＰＣ３５の外周面上に周方向に配列された１２８個の振動子ユニット３２を具備して構成されている。振動子ユニット３２は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。
そして、図７に示すように、それぞれの振動子ユニット３２は、６４個の振動子エレメント３３が配列されて構成されている。振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略正方形状を有しており、振動子ユニットの長手方向に１次元に配列されている。
さらに、それぞれの振動子エレメント３３は、それぞれが４個の超音波振動子２Ａにより構成されている。４個の振動子２は並列接続されており、駆動信号が入力されると同時に同位相の超音波を送信する。
ＦＰＣ３５の内周面上、すなわち振動子アレイ３１が実装された実装面とは反対側の実装面上には、それぞれの振動子アレイ３１の駆動回路３４が実装されている。駆動回路３４は、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上に形成された、複数の信号電極３６および接地電極３７に電気的に接続されている。
信号電極３６および接地電極３７は、超音波ケーブル４６内を挿通し超音波コネクタ４６Ａを介して超音波観測装置に接続される。
超音波送受部３０は、振動子アレイ３１によって、硬性部４７の挿入軸と略直交する平面上で放射状に超音波を送受信する電子式ラジアル走査と、硬性部４７の挿入軸を含む平面上で放射状に超音波を送受信する電子式セクタ走査とを、同時または交互に行う。すなわち、超音波内視鏡３は、３次元の超音波走査が可能である。
超音波内視鏡３は、絶縁層への蓄積の影響を受けない超音波振動子２Ａを具備する。このため、超音波内視鏡３は特性が安定しており、品質の高い良好な超音波診断像を得ることが可能である。
なお、超音波内視鏡３は、電子式ラジアル走査および電子式セクタ走査を行うが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査、または機械式走査でもよい。また、複数の振動子エレメントを１次元配列した超音波送受部でもよい。
また、超音波診断装置は、内視鏡の処置具挿通孔に挿通されて体内に導入される超音波プローブ等でもよい。
本発明は、上述した実施形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、実施形態または変形例の組み合わせ、種々の変更、改変等ができる。
本出願は、２０１１年３月２４日に日本国に出願された特願２０１１−０６６４８２号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。
Claims (8)
- 基板と、前記基板上に順に積層された下部電極層と、下部絶縁層と、上部絶縁層と、上部電極層と、を有し、
前記下部絶縁層と前記上部絶縁層とが、空隙部を介して対向配置されており、材料または層厚の少なくともいずれかが異なり、（数式１）を満足することを特徴とする超音波振動子
（数式１）
ただし、Ｋ１は前記下部絶縁層の比誘電率、Ｋ２は前記上部絶縁層の比誘電率、Ｔ１は前記下部絶縁層の層厚、Ｔ２は前記上部絶縁層の層厚、ρ１（ｘ）は前記下部絶縁層の中の電荷密度分布（ｘは前記下部電極層からの距離）、ρ２（ｙ）は前記上部絶縁層の中の電荷密度分布（ｙは前記上部電極層からの距離）。 - 同じ材料からなる前記下部絶縁層と前記上部絶縁層との層厚が異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 前記下部絶縁層と前記上部絶縁層とが、材料および層厚が異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 駆動時に前記下部絶縁層と、前記上部絶縁層とは接触せず、前記ρ１（ｘ）および前記ρ２（ｘ）は前記下部電極層および前記上部電極層に駆動信号が印加されても変化しないことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
- 基板と、前記基板上に順に積層された下部電極層と、下部絶縁層と、上部絶縁層と、上部電極層と、を有し、
前記下部絶縁層と前記上部絶縁層とが、空隙部を介して対向配置されており、材料または層厚の少なくともいずれかが異なり、（数式１）を満足する超音波振動子を具備することを特徴とする超音波診断装置。
（数式１）
ただし、Ｋ１は前記下部絶縁層の比誘電率、Ｋ２は前記上部絶縁層の比誘電率、Ｔ１は前記下部絶縁層の層厚、Ｔ２は前記上部絶縁層の層厚、ρ１（ｘ）は前記下部絶縁層の中の電荷密度分布（ｘは前記下部電極層からの距離）、ρ２（ｙ）は前記上部絶縁層の中の電荷密度分布（ｙは前記上部電極層からの距離）。 - 同じ材料からなる前記下部絶縁層と前記上部絶縁層との層厚が異なる超音波振動子を具備することを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
- 前記下部絶縁層と前記上部絶縁層とが、材料および層厚が異なる超音波振動子を具備することを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
- 駆動時に前記下部絶縁層と、前記上部絶縁層とは接触せず、前記ρ１（ｘ）および前記ρ２（ｘ）は前記下部電極層および前記上部電極層に駆動信号が印加されても変化しない超音波振動子を具備することを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
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