JP5486689B2 - 超音波トランスデューサおよびそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサ、および、それを用いた超音波診断装置に関するものであり、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造した超音波トランスデューサに関するものである。

超音波トランスデューサは、超音波を送信、受信することにより、人体内の腫瘍などの診断や、構造物の非破壊検査、流体の速度検知などに用いられている。

これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）が盛んに開発されている。
例えば、特許文献１、特許文献２や特許文献３には、ＣＭＵＴの動作信頼性向上について開示されている。また、特許文献４には、ＣＭＵＴの中心周波数と帯域幅を制御する方法について開示されている。

米国特許出願公開第２００５／０２２８２８５号明細書 米国特許出願公開第２００９／０３２２１８１号明細書 特開２００７−７４２６３号公報 国際公開第２００７／０４６１８０号

前記特許文献１では、ＣＭＵＴの空洞部に突き出た絶縁膜の突起を形成し、コラプス電圧以上の直流電圧や、交流電圧を印加した場合でも、突起下面は、空洞下面に接触するが、メンブレン下面が空洞下面に接触しない構造が示されている。しかし、突起部は上下電極に挟まれた構造であるため、突起部の絶縁膜への電荷注入は免れない。

一方、前記特許文献２では、メンブレン下面が空洞下面に接触する領域が上下電極に挟まれないよう電極の一部を刳り貫いた構造となっている。この構造の場合、接触領域におけるメンブレン絶縁膜中の電界強度が低減されるため、電荷注入は回避できるが、その分、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を招くことになる。

また、前記特許文献３では、空洞部へ突き出た絶縁膜の突起が、上下電極に挟まれない構造となっている。この場合も上記の理由と同様に、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や受信感度の低下を招くことになる。

前記特許文献４は、メンブレンに剛性部材を設けることで、メンブレン全体の剛性を調整し、ＣＭＵＴの中心周波数と帯域幅を制御する内容である。しかし、剛性部材の導入は駆動電圧の上昇をもたらし、デバイス動作信頼性の確保が課題となる。

そこで、本発明は、空洞部に突き出た突起を有し、上部電極と下部電極のうち少なくとも一方の電極は突起と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、突起下面が空洞下面に接触してからメンブレン下面が空洞下面に接触する間の電圧マージンを確保し、メンブレン絶縁膜への電荷注入を抑制し、高送信音圧と高信頼構造を有する超音波トランスデューサとそれを用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波トランスデューサは、下部電極と、前記下部電極上に形成された、絶縁膜で囲まれた空洞部と、前記空洞部上に形成された上部電極と、前記空洞部内に形成された複数の絶縁膜の突起を備えた超音波トランスデューサにおいて、前記空洞部上に形成された複数の剛性部材を備え、前記下部電極と前記上部電極のうちの少なくとも一方の電極は、前記絶縁膜の突起と重なる部分を刳り貫くことにより、前記絶縁膜の突起と上面から見て重ならない位置に配置され、前記剛性部材のそれぞれは前記絶縁膜の突起と上面から見て重なる領域が存在するように配置されていることを特徴とするものである。

本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材は梁部材であり、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンは、前記梁部材が配置されている部分の厚さが、梁部材が配置されてない部分と比べて梁部材の厚さ分厚いものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜上に配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれているものでよい。

本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材は、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンよりも高ヤング率の部材でよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記高ヤング率の部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記高ヤング率の部材は、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料を埋め込んで形成したものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記高ヤング率の部材は、イオンの打ち込みにより前記上部絶縁膜を改質して形成したものでよい。

本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材の中心は前記絶縁膜の突起の中心と上面から見て一致するように配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、一つの前記剛性部材に対して複数の前記絶縁膜の突起が重なるように配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記絶縁膜の突起が前記空洞部の上面に配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記前記絶縁膜の突起が前記空洞部の下面に配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記複数の絶縁膜の突起と前記複数の剛性部材が上面から見て等間隔に配置されているものでよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記空洞部が上面から見て、円形状または多角形状でよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記絶縁物の突起が上面から見て、円形状または多角形状でよい。
また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材が上面から見て、円形状、十字型形状または多角形状でよい。

本発明の超音波診断装置は、上記何れか一つの超音波トランスデューサとバイアス部を用いたものである。

本発明によれば、容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）において、高送信音圧と高受信感度を実現することができ、また、長期間駆動における信頼性を向上させることができる。

本発明の実施例１の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明者らが検討した、ＣＭＵＴ超音波トランスデューサの断面図である。 本発明者らが検討した、超音波トランスデューサの突起が空洞下面に接触した状態の断面図である。 本発明者らが検討した、超音波トランスデューサのメンブレンが空洞下面に接触した断面図である。 突起が空洞下面に接触した状態を示した断面図である。 突起が空洞下面に接触した状態である一定の外力をメンブレンに加えた場合のメンブレンのひずみを突起中心からの距離でプロットしたグラフである。 メンブレンに配置された剛性部材と突起の中心のずれ量と突起近傍のひずみおよびメンブレン接触電圧の関係を示したグラフである。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材と突起の中心が一致していない場合の上面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材と複数の突起が重なっている場合の上面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材が十字形状の場合の上面図である。 本発明の実施例１の他の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例２の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例２の他の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例３の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例３の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例４の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例５の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例６の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例７の超音波診断装置の構成ブロック図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

以下の実施例においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。

下記の実施例の記載では、容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）において、空洞部に突き出た突起の下面が空洞下面へ接触した状態からメンブレン下面が空洞下面に接触する状態間の電圧マージンを拡げることでメンブレン絶縁膜への電荷注入や絶縁耐圧の低下を抑制するという目的を、ＣＭＵＴを上面から見て、空洞に突き出た突起とメンブレンに設けられた剛性部材或いは高ヤング率部材の少なくとも一部が重なっている配置とすることで実現している。

図３を用いて、ＣＭＵＴの基本的な構造および動作を説明する。下部電極１０１の上層に絶縁膜１０３に囲まれた空洞部１０２が形成されている。空洞部１０２上には絶縁膜１０３を介して上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、空洞部１０２上の絶縁膜１０３と上部電極１０４で構成されるメンブレン１０５が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波を発信する。
受信の場合は、上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧のみを印加しておき、メンブレン１０５の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０５が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、容量の変化として超音波を検出できる。

超音波トランスデューサとして最も重要な性能の一つは信号対雑音比（SN比）が高いことである。例えば、超音波診断装置や探傷検査装置においてSN比が高いことは画質が鮮明であることに相当し、装置の性能上重要である。CMUTにおいてSN比を高くするためには、受信時の容量変化量を大きくすれば良い。CMUTの数や面積を増やして、容量変化量を増やすこともできるが、その場合トランスデューサのサイズが大きくなってしまうので、単位面積当たりの容量変化量を大きくする必要がある。つまり、受信感度を向上させることが必要である。または、送信音圧を大きくし、検査対象物から反射してくる超音波の音圧を上げることで受信時の容量変化量を大きくすることも可能である。

受信感度を向上するためには、上部電極１０４と下部電極１０１の間隔をできるだけ狭くした方がよいので、できるだけ大きな直流電圧を印加することが必要である。しかし、メンブレンの変形量が真空換算で両電極間の３分の１以上の距離になると、電極間の静電気力がメンブレンのバネ復元力よりも大きくなり、メンブレン下面１０６が空洞部下面１０７に接触する。この電圧をコラプス電圧という。以上の理由から、受信時はコラプス電圧よりもわずかに小さな直流電圧を印加することになる。

一方、送信音圧を向上するためには、メンブレンの振幅を最大限とすることが望ましい。しかし、駆動中にメンブレン下面１０６が空洞下面１０７に接触すると、絶縁膜中に電荷注入が生じ、送受信特性がドリフトする。そのため、CMUTの駆動条件は、メンブレン下面１０６が空洞下面１０７に接触しない範囲で設定する必要がある。実際には、製造ばらつきにより、空洞部１０２の高さがばらつくため、駆動条件はメンブレンが接触しない条件に加え、さらにマージンをもって設計され、メンブレンの振幅は空洞部１０２の高さよりもはるかに小さくなり、送信音圧の上限が制限される。

そこで、空洞部へ突き出た絶縁膜の突起を形成し、さらにその突起が上下電極に挟まれない構造とするように電極を刳り貫くことで、突起接触部における電界強度が低減され、電荷注入は回避できる。しかし、電極を刳り貫くため、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を招くことになる。

送受信特性のドリフトが生じずに、さらにＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や受信感度の低下を招くことなく、高送信音圧を実現するためには、突起の数と電極の刳り貫き面積を必要最小限にすることが必要である。その際に注意すべきことについて図４と図５を用いて説明する。図４は、メンブレン１０５下側に設けられた突起１０８が空洞下面１０７に接触している状態を示す断面図である。この状態を突起接触状態と呼ぶことにする。高送信音圧を得るためには、メンブレンの振幅を最大限にするのが望ましいので、突起接触状態となる電圧以上の電圧を印加する。突起接触状態となる電圧以上の電圧を印加すると、突起１０８間のメンブレン１０５が空洞下面１０７に近づくように変形し、ある電圧以上で空洞下面１０７に接触する。この状態をメンブレン接触状態と呼び、図５に示す。このメンブレン接触状態では、メンブレン１０５へ電荷注入が生じるため、メンブレン接触状態にならないよう突起接触状態との電圧マージンを広くとることが動作信頼性向上のポイントとなる。電圧マージンを広げるには、メンブレン全体の剛性を上げれば良いが、駆動電圧も上がってしまうため、良策ではない。そこで、突起下面１０６が空洞下面１０７に非接触の状態でのメンブレン全体の剛性は上げずに、突起接触状態でのメンブレン剛性を上げるようにすれば、上記のマージン電圧を広くとることができ、送受信特性のドリフトなしに、送信音圧を向上できる。

本実施例によるＣＭＵＴの断面構造を図１を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板２０６の上に配置された直方体の下部電極２０１と、下部電極２０１上に配置された直方体の空洞部２０２と、空洞部２０２上に配置された直方体の上部電極２０５などを備えて構成される。なお、下部電極２０１と空洞部２０２の間に下部電極２０１を覆うように絶縁膜２０９が形成されており、上部電極２０５と空洞部２０２の間に、空洞部２０２と下部電極２０１を覆うように絶縁膜２０８が形成され、空洞部２０２には、絶縁膜２０８下面から空洞部２０２に突き出た円柱状の突起２０４が少なくとも一つ以上配置されている。また、絶縁膜２０８の上には絶縁膜２０７が覆っている。上述した突起２０４や絶縁膜２０７、２０８、２０９は酸化シリコンや窒化シリコンなどで形成される。絶縁膜２０７の上面には、剛性部材２０３である直方体の梁部材が少なくとも一つ以上配置されている。この剛性部材２０３である梁部材は、絶縁膜２０７、２０８、２０９と同様に酸化シリコン、窒化シリコンなどのように同じ材料で形成されても良いし、また別の材料でも良い。なお、絶縁膜２０７、上部電極２０５、絶縁膜２０８で構成されるメンブレン２１０が振動することで超音波を送信する。今後は、説明の都合上、突起２０４のうち、絶縁膜２０９と空洞を挟んで対向している面を突起下面２１１、絶縁膜２０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面２１３と呼ぶ。また、メンブレン２１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面２１２と呼ぶ。そして、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触することを突起接触、また、その時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面２１２が空洞下面２１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。また、メンブレン接触電圧と突起接触電圧との差をマージン電圧と呼ぶことにする。

図１に示すＣＭＵＴの製造方法について記載する。基本的な製造方法は特許文献３に記載されており、ここでは、剛性部材２０３である梁部材の形成方法について述べる。梁部材は、絶縁膜２０７上に梁部材の材料となる薄膜、例えば酸化シリコンや窒化シリコンをプラズマＣＶＤ法により堆積し、フォトグラフィ技術とドライエッチング技術により形成する。ここでメンブレン２１０の厚さはデバイス特性に大きな影響を与えるため、ドライエッチング時に絶縁膜２０７が薄くならないように注意が必要である。例えば、剛性部材２０３である梁部材を上側から見て窒化シリコン、酸化シリコンの順番となる積層膜とし、絶縁膜２０７を窒化シリコンとすることで、剛性部材２０３である梁部材エッチング終了後の下地の絶縁膜２０７の削れ量が少なくなり、メンブレン２１０の厚さのエッチング前後の変化量を少なく抑えることができる。

本実施例によるＣＭＵＴの上面構造を図２を用いて説明する。図２は図１の上面図を示している。また、図１は図２の線A−A’で切断した断面図を示している。なお、図２において、説明の便宜上、剛性部材２０３から突起２０４等を透視して示している。今後は説明の都合上、空洞２０２、上部電極２０５については、紙面の縦方向を幅、横方向を長さとし、剛性部材２０３については、紙面縦方向を長さ、横方向を幅とする。まず、上部電極２０５の形状を記載する。例えば、上部電極２０５は、複数の円形状の穴部を有している。上面から見て、上部電極２０５の複数の円形状の穴部２１４のほぼ中央の位置に突起２０４がそれぞれ配置されている。上面から見て、突起２０４は上部電極２０５の穴部２１４に配置されているため、上部電極２０５とは重ならない位置に配置されていることになる。つまり、突起２０４の鉛直方向には上部電極２０５がない。図２では、上部電極２０５の一部が刳り貫かれており、上面から見て突起２０４と上部電極２０５は重ならないように配置されているが、刳り貫く電極は下部電極２０１であっても良い。重要であることは、上部電極２０５と下部電極２０１のうち、少なくとも一方の電極は突起２０４と上面から見て重ならない位置に配置されていることである。このような配置となっている理由は、直流電圧もしくは交流電圧を電極間に印加し、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触した場合に突起２０４と絶縁膜２０９に強電界が印加され、電荷注入が生じることがないように、電極を刳り貫くことで電極間距離を離し、電界強度を下げるためである。

剛性部材２０３と突起２０４の位置関係について、図２を用いて説明する。突起２０４は、上面から見て空洞２０２の幅方向中央に少なくとも一つ以上配置されている。また、剛性部材２０３は、上部電極２０５の穴部２１４と突起２０４に対して、上面から見て一部でも重なるように配置されている。図１と図２では、剛性部材２０３と突起２０４が上面から見て空洞長さ方向に等間隔に配置されているが、不等間隔でもよい。ただし、不等間隔の場合、一つのＣＭＵＴ内に複数のメンブレン接触電圧が存在することになり、設計上好ましくないので、等間隔にするのがよい。また、剛性部材２０３同士と突起２０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材２０３と突起２０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。但し、突起２０４の間隔を狭くすると上部電極２０５の面積が減少し、ＣＭＵＴの感度低下を招くので、設計段階で必要最低限のマージン電圧を満たすような突起間隔にするのが良い。

本実施例１の特徴は、図１と図２で示すように、上部電極２０５と下部電極２０１のうち、少なくとも一方の電極は空洞２０２に突き出た突起２０４と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、メンブレン２１０に設けられた剛性部材２０３と突起２０４とが上面から見て一部でも重なるように配置されていることである。このような構造にすることにより、突起２０４直上のメンブレンが厚くなり、剛性が上がり、マージン電圧を大きくとることができる。つまり、高送信音圧を得るために、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触する駆動条件でメンブレン２１０を最大限に振動させる場合においても、メンブレン接触を防止することができる。実際のＣＭＵＴでは、製造ばらつきにより、部分的にメンブレン接触電圧が設計よりも低くなることがあるが、上記の構造にすることで、メンブレン接触を防止し、メンブレン２１０の絶縁膜２０８への電荷注入を低減することができる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。

上面から見た場合に、剛性部材２０３と突起２０４とが一部でも重なるように配置すると良い理由を図６を用いて説明する。ここでのポイントは、上面から見て突起２０４と重なる領域のメンブレン２１０を厚くし、局所的に剛性を高くしている点である。なお、図６では図１で図示した絶縁膜２０７、上部電極２０５、絶縁膜２０８をまとめてメンブレン３１０として図示している。図７では、図６の突起接触状態からある大きさの外力をメンブレン３１０全体に一様に印加し、メンブレン３１０のひずみを突起３０４中心からの距離でプロットしたシミュレーション結果である。ひずみは突起３０４近傍で最大値となり、遠くなるにつれて単調に減少する。この結果は、突起接触状態からメンブレン３１０が変形する場合、突起３０４が固定端となるため、突起３０４の近傍のひずみが最大となることを意味している。したがって、突起近傍のひずみを低減することができれば、マージン電圧を拡げることができることになる。図８に、剛性部材と突起の位置関係と突起近傍のひずみの大きさの関係を示したグラフを示す。図８（ｂ）に示されるように、剛性部材と突起のずれ量ｄが小さい場合は、突起近傍のひずみは小さく、剛性部材と突起の中心が一致している場合が最小となる。一方、剛性部材と突起の重ならない場合、突起近傍のひずみは大きくなる。図８（ｃ）に、剛性部材と突起間のずれ量ｄとメンブレン接触電圧との関係を示す。ずれ量ｄが小さい場合は、メンブレン接触電圧は大きいが、ずれ量ｄが大きくなるとメンブレン接触電圧は低下する。以上より、剛性部材を配置する場所は突起近傍のひずみに大きく影響を与え、剛性部材と突起の中心が一致するように配置する場合に突起近傍のひずみが最も小さく効果的である。但し、上面図である図９に示す構造のように直方体の剛性部材３０３と円柱状の突起３０４が上面から見て一部でも重なっていれば突起近傍のひずみを低減する効果はある。なお、剛性部材３０３の上面から見た形状や配置は、所望の周波数特性によって適切に決定するとよい。また、図１０に示すように、一つの直方体の剛性部材３０３に対して上面から見て、円柱状の複数の突起３０４の少なくとも一部が重なっている配置でも良い。この構造においても、上述した内容と同様に上面から見て、複数の突起３０４は上部電極３０５と重ならない配置されている。また、剛性部材３０３は、上面から見て、複数の突起３０４の少なくとも一部は重なっているように配置されている。このような構造は、空洞３０２の幅が広く、空洞幅方向の剛性が低い場合に、メンブレン接触電圧を向上させる手段として有効である。但し、突起３０４を増やすと上部電極３０５の面積が減り、ＣＭＵＴの感度が低下するので、必要最低限の数とするのが良い。また、図１１に示すように、剛性部材３０３の形状を十字型にしても良い。この構造では、突起３０４間のメンブレンにおいて、剛性部材３０３が配置された箇所では、メンブレンが厚くなり、剛性を向上させることができるため、突起間メンブレンの接触電圧を向上させることができる。図２に示した長方形の剛性部材２０３の幅を広げることでも、突起間のメンブレンの剛性を上げることができるが、剛性部材２０３の面積が大きくなり、メンブレン全体の剛性が高くなり、駆動電圧が上がってしまうため、信頼性の面で不利となる。つまり、図１１に示す十字型の剛性部材３０３では、駆動電圧を大きく変えることなく、突起間メンブレンの接触電圧を上げることができる。なお、以上ではメンブレン表面に剛性部材が配置されている構造の説明をしたが、図１２に示すように剛性部材３０３がメンブレン３１０の内部に埋め込まれていても良い。メンブレン３１０の形状は平坦でることが望ましいのに対して、構成される膜の残留応力により、膨らみもしくは、へこみが生じる場合があるが、図１２に示すように、剛性部材３０３の埋め込む場所を変えることで、メンブレン３１０の残留応力分布を制御することができ、メンブレン３１０の膨らみもしくは、へこみ形状を制御することが可能となる。

本実施例２によるＣＭＵＴの構造を図１３を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板５０６の上に配置された直方体の下部電極５０１と、下部電極５０１上に配置された空洞部５０２と、空洞部５０２上に配置された直方体の上部電極５０５などを備えて構成される。なお、下部電極５０１と空洞部５０２の間に下部電極５０１を覆うように絶縁膜５０９が形成されており、上部電極５０５と空洞部５０２の間に、空洞部５０２と下部電極５０１を覆うように絶縁膜５０８が形成されている。空洞部５０２には、絶縁膜５０９上面から空洞部５０２に突き出た円柱状の突起５０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起５０４は絶縁膜で構成される。また、絶縁膜５０７の上面には、直方体の剛性部材５０３が少なくとも一つ以上配置されている。この剛性部材５０３である梁部材は、絶縁膜５０７、５０８、５０９と同様に酸化シリコン、窒化シリコンなどのように同じ材料で形成されても良いし、また別の材料でも良い。なお、絶縁膜５０７、上部電極５０５、絶縁膜５０８で構成されるメンブレン５１０が振動することで超音波を送信する。今後は、説明の都合上、突起５０４のうち、絶縁膜５０８と空洞を挟んで対向している面を突起上面５１４、絶縁膜５０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面５１３と呼ぶ。また、メンブレン５１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面５１２と呼ぶ。そして、突起上面５１４がメンブレン下面５１２に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面５１２が空洞下面５１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。また、メンブレン接触電圧と突起接触電圧との差をマージン電圧と呼ぶことにする。剛性部材５０３同士と突起５０４同士の間隔は、実施例１に述べた内容と同じく、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材５０３と突起５０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。

前述した実施例１との相違点は、突起５０４が空洞下面５１３から空洞５０２に突き出ている点である。この構造でメンブレン下面５１２が突起上面５１４に接触すると、図６で示す突起３０４がメンブレン下面３１２から空洞３０２に突き出た構造と同様の状態となる。したがって、突起５０４が空洞下面５１３から突き出した構造においても、上面から見て剛性部材と突起の中心が一致するように配置すると突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくすることができるので、実施例１の超音波トランスデューサと同様の効果を得ることができる。
なお、実施例１の超音波トランスデューサと同様に上面から見て剛性部材５０３と突起５０４の中心が一致している配置で最大の効果が得られるが、一部でも重なっていれば効果はある。このような構造にすると、突起がＣＭＵＴ振動部のメンブレン側にないことで、ＣＭＵＴの周波数特性の設計がしやすくなる特徴がある。なお、以上ではメンブレン表面に剛性部材が配置されている構造の説明をしたが、図１４に示すように剛性部５０３がメンブレン５１０の内部に埋め込まれていても良く、実施例１で記載した同様にメンブレン５１０の形状制御がしやすくなるという特徴がある。

本実施例３によるＣＭＵＴの構造を、図１５と図１６を用いて説明する。図１５には、一つのＣＭＵＴを示した断面図を示す。ＣＭＵＴセルは、直方体の下部電極７０１と、下部電極７０１上に配置された空洞部７０２と、空洞部７０２上に配置された直方体の上部電極７０５などを備えて構成される。なお、下部電極７０１と空洞部７０２の間に下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０９が形成されており、上部電極７０５と空洞部７０２の間に、空洞部７０２と下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０８が形成されている。空洞部７０２には、絶縁膜７０８下面から空洞部７０２に突き出た円柱状の突起７０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起７０４は絶縁膜で構成される。上述した突起７０４や絶縁膜７０７、７０８、７０９は酸化シリコンや窒化シリコンなどで形成される。メンブレン７１０には、直方体の高ヤング率部材７０３が埋め込まれている。図１５では、高ヤング率部材７０３が絶縁膜７０７に埋め込まれているが、絶縁膜７０８に埋め込まれていても良いし、絶縁膜７０７と絶縁膜７０８の両方に埋め込まれていても良い。高ヤング率部材７０３は、周囲の絶縁膜７０７や絶縁膜７０８よりもヤング率が高い材料、例えば、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料など、もしくはイオンの打ち込みなどにより絶縁膜７０７や絶縁膜７０８を改質し、ヤング率を向上させて形成する。今後は、説明の都合上、突起７０４のうち、絶縁膜７０９と空洞を挟んで対向している面を突起下面７１１、絶縁膜７０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面７１３と呼ぶ。また、メンブレン７１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面７１２と呼ぶ。そして、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面７１２が空洞下面７１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。

高ヤング率部材７０３と突起７０４の位置関係について、図１６を用いて説明する。また、図１５は図１６の線A−A’で切断した断面図を示している。なお、図１６において、説明の便宜上、高ヤング率部材７０３から突起７０４等を透視して示している。今後は説明の都合上、空洞７０２、上部電極７０５については、紙面の縦方向を幅、横方向を長さとし、高ヤング率部材７０３については、紙面縦方向を長さ、横方向を幅とする。突起７０４は、上面から見て空洞７０２の幅方向中央に少なくとも一つ以上配置されている。また、高ヤング率部材７０３は突起７０４それぞれに対して、上面から見て中心部が一致するように配置されている。また、上部電極７０５と下部電極７０１のうち、少なくとも一方の電極は突起７０４と上面から見て重ならない位置に配置されている。図１６では、上部電極７０５の一部が刳り貫かれており、上面から見て突起７０４と上部電極７０５は重ならないように配置されているが、刳り貫く電極は下部電極７０１であっても良い。このような配置となっている理由は、直流電圧もしくは交流電圧を電極間に印加し、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触した場合に突起７０４と絶縁膜７０９に強電界が印加され、電荷注入が生じることがないように、電極を刳り貫くことで電極間距離を離し、電界強度を下げるためである。図１５と図１６では、高いヤング率材７０３と突起７０４が空洞長さ方向に等間隔で配置されているが、不等間隔でもよい。ただし、不等間隔の場合、ひとつのＣＭＵＴ内に複数のメンブレン接触電圧が存在することになり、設計上好ましくないので、等間隔にするのがよい。また、高ヤング率部材７０３同士と突起７０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、高ヤング率部材７０３と突起７０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。

本実施例３の特徴は、図１５と図１６で示すように、上部電極７０５と下部電極７０１のうち、少なくとも一方の電極は空洞７０２に突き出た突起７０４と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、メンブレン７１０に設けられた高ヤング率部材７０３と突起７０４とが上面から見て一部でも重なるように配置されていることである。ここでのポイントは、上面から見て突起７０４と重なる領域のメンブレン内部に高ヤング率部材を配置することで、局所的に剛性を高くしている点である。このような構造にすることにより、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくとることができる。つまり、高送信音圧を得るために、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触する駆動条件でメンブレン７１０を最大限に振動させる場合においても、メンブレン接触を防止することができる。実際のＣＭＵＴでは、製造のばらつきにより、部分的にメンブレン接触電圧が設計よりも低くなることがあるが、上記の構造にすることで、メンブレン接触を防止し、メンブレン７１０の絶縁膜７０８への電荷注入を低減することができる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。また、ＣＭＵＴ表面を平らにできるという特徴がある。

本実施例４によるＣＭＵＴの構造を図１７を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板７０６の上に配置された直方体の下部電極７０１と、下部電極７０１上に配置された空洞部７０２と、空洞部７０２上に配置された直方体の上部電極７０５などを備えて構成される。なお、下部電極７０１と空洞部７０２の間に下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０９が形成されており、上部電極７０５と空洞部７０２の間に、空洞部７０２と下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０８が形成されている。空洞部７０２には、絶縁膜７０９上面から空洞部７０２に突き出た円柱状の突起７０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起７０４は絶縁膜で構成される。また、絶縁膜７０７の上面には、直方体の高ヤング率部材７０３が少なくとも一つ以上埋め込まれている。説明の都合上、突起７０４のうち、絶縁膜７０８と空洞を挟んで対向している面を突起上面７１４、絶縁膜７０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面７１３と呼ぶ。また、メンブレン７１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面７１２と呼ぶ。そして、突起上面７１４がメンブレン下面７１２に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面７１２が空洞下面７１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。高ヤング率部材７０３同士と突起７０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、高ヤング率部材７０３と突起７０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。

前述した実施例３との相違点は、突起７０４が空洞下面７１３から空洞７０２に突き出ている点である。この構造でメンブレン下面７１２が突起上面７１４に接触すると図１５で示す構造の突起接触状態と同様の状態となる。したがって、突起７０４が空洞下面７１３から突き出した構造においても、上面から見て高ヤング率部材と突起の中心が一致するように配置すると突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくすることができ、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上することができるので、実施例３の超音波トランスデューサと同様の効果を得ることができる。なお、実施例３の超音波トランスデューサと同様に高ヤング率部材と突起が上面から見て一部でも重なっていれば効果はある。このような構造にすると、突起がＣＭＵＴ振動部のメンブレン側にないことで、ＣＭＵＴの周波数特性の設計がしやすくなる特徴がある。

図１８は、本実施例５の超音波トランスデューサを示す上面図である。この超音波トランスデューサは円形状の突起８０４と円形状のメンブレン８１０とメンブレン８１０の上面に円形状の剛性部材８０３または高ヤング率部材８０５を含んでいる。剛性部材８０３と突起８０４は、メンブレン８１０の中央とその上下左右のメンブレン端との中間に配置されている。剛性部材８０３と突起８０４は上面から見て一部が重なるように配置されている。円形状の突起８０４は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、剛性部材８０３または高ヤング率部材８０５においても、円形状は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。剛性部材８０３と突起８０４の個数と配置については、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の大小関係で決めると良い。例えば、図１８の構造においてメンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材８０３と突起８０４の数を増やすべきである。その場合の配置場所は、メンブレン接触電圧でメンブレンが接触する箇所が良い。

図１９は、本実施例６の超音波トランスデューサを示す上面図である。この超音波トランスデューサは円形状の突起９０４と八角形状のメンブレン９１０とメンブレン９１０の上面に円形状の剛性部材９０３または、高ヤング率部材９０５を含んでいる。剛性部材９０３と突起９０４は、メンブレン９１０の中央とその周囲に配置されている。剛性部材９０３と突起９０４は上面から見て一部が重なるように配置されている。八角形状のメンブレン９１０は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、円形状の突起９０４は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、剛性部材９０３または、高ヤング率部材９０５においても、円形状は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。剛性部材９０３と突起９０４の個数と配置については、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の大小関係で決めると良い。例えば、図１９の構造においてメンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材９０３と突起９０４の数を増やすべきである。その場合の配置場所は、メンブレン接触電圧でメンブレンが接触する箇所が良い。

図２０を参照しながら、本発明の超音波トランスデューサを備えた超音波診断装置の構成とその動作について説明する。超音波診断装置１００１は、超音波探触子１００２、送受分離部１００３、送信部１００４、バイアス部１００６、受信部１００８、整相加算部１０１０、画像処理部１０１２、表示部１０１４、制御部１０１６、操作部１０１８から構成される。

超音波探触子１００２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置である。超音波探触子１００２から超音波が被検体に送波され、被検体からの反射エコー信号が超音波探触子１００２により受波される。実施例１〜６のいずれかの超音波トランスデューサは、超音波探触子１００２の内部に収納され、後述する送受分離部１００３と電気的に接続される。送信部１００４及びバイアス部１００６は、超音波探触子１００２に駆動信号を供給する装置である。受信部１００８は、超音波探触子１００２から出力される反射エコー信号を受信する装置である。受信部１００８は、さらに、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換等の処理を行う。送受分離部１００３は、送信時には送信部１００４から超音波探触子１００２へ駆動信号を渡し、受信時には超音波探触子１００２から受信部１００８へ受信信号を渡すよう送信と受信とを切換、分離するものである。整相加算部１０１０は、受信された反射エコー信号を整相加算する装置である。画像処理部１０１０は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像(例えば、断層像や血流像)を構成する装置である。表示部１０１４は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。制御部１０１６は、上述した各構成要素を制御する装置である。操作部１０１８は、制御部１０１６に指示を与える装置である。操作部１０１８は、例えば、トラックボールやキーボードやマウス等の入力機器で構成される。

本発明の超音波トランスデューサは、超音波探触子を用いる超音波診断装置、構造内部の欠陥検査装置、物体位置検知装置、流速計測装置等に利用することができる。そして、高送信音圧と高受信感度を実現することができ、また、長期間駆動における信頼性を向上させることができる。

２０１、３０１、５０１、７０１、８０１、９０１ 下部電極
２０２、３０２、５０２、７０２ 空洞部
２０７、２０８、２０９、３０９、５０７、５０８、５０９、７０７、７０８、７０９
絶縁膜
２０５、３０５、５０５、７０５ 上部電極
２１０、３１０、５１０、７１０、８１０、９１０ メンブレン
２１３、３１３、５１３、７１３ 空洞下面
２０３、３０３、５０３、８０３、９０３ 剛性部材
２０４、３０４、５０４、７０４、８０４、９０４ 突起
２０６、３０６、５０６、７０６ 基板
２１１、３１１、７１１ 突起下面
２１２、３１２、５１２、７１２ メンブレン下面
５１４、７１４ 突起上面
７０３、８０５、９０５ 高ヤング率部材
１００１ 超音波診断装置
１００２ 超音波探触子
１００３ 送受分離部
１００４ 送信部
１００６ バイアス部
１００８ 受信部
１０１０ 整相加算部
１０１２ 画像処理部
１０１４ 表示部
１０１６ 制御部
１０１８ 操作部。

Claims (17)

1. 下部電極と、前記下部電極上に形成された、絶縁膜で囲まれた空洞部と、前記空洞部上に形成された上部電極と、前記空洞部内に形成された複数の絶縁膜の突起を備えた超音波トランスデューサにおいて、
   前記空洞部上に形成された複数の剛性部材を備え、
   前記下部電極と前記上部電極のうちの少なくとも一方の電極は、前記絶縁膜の突起と重なる部分を刳り貫くことにより、前記絶縁膜の突起と上面から見て重ならない位置に配置され、
   前記剛性部材のそれぞれは前記絶縁膜の突起と上面から見て重なる領域が存在するように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記剛性部材は梁部材であり、
   前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンは、前記梁部材が配置されている部分の厚さが、梁部材が配置されてない部分と比べて梁部材の厚さ分厚いことを特徴とする超音波トランスデューサ。
3. 請求項２記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜上に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
4. 請求項２記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
5. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記剛性部材は、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンよりも高ヤング率の部材であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
6. 請求項５記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記高ヤング率の部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
7. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記高ヤング率の部材は、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料を埋め込んで形成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
8. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記高ヤング率の部材は、イオンの打ち込みにより前記上部絶縁膜を改質して形成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
9. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記剛性部材の中心は前記絶縁膜の突起の中心と上面から見て一致するように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
10. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    一つの前記剛性部材に対して複数の前記絶縁膜の突起が重なるように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
11. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記絶縁膜の突起が前記空洞部の上面に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
12. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記前記絶縁膜の突起が前記空洞部の下面に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
13. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記複数の絶縁膜の突起と前記複数の剛性部材が上面から見て等間隔に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
14. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記空洞部が上面から見て、円形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
15. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記絶縁物の突起が上面から見て、円形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
16. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記剛性部材が上面から見て、円形状、十字型形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
17. 請求項１乃至請求項１６の何れか一つに記載の超音波トランスデューサとバイアス部を備えていることを特徴とする超音波診断装置。

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