JP5789618B2 - 超音波探触子 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波探触子に係り、特に、容量性の振動要素で超音波と電気信号を相互に変換する超音波探触子に関する。
被検体に超音波を送信し、その反射波を受信して画像を得る超音波診断装置には、被検体との間で超音波を送受信する超音波探触子が用いられている。超音波探触子には、被検体と接触する音響レンズと、超音波と電気信号を相互に変換するトランスデューサと、このトランスデューサの背面側に放射される超音波を吸収させるバッキング層を設けることが知られている。
このようなトランスデューサとして、ＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers）が非特許文献１に記載されている。ＣＭＵＴは、半導体基板上にリソグラフィ技術を用いて多数のＣＭＵＴセル（以下、適宜、容量性振動要素という。）をパターンニングして形成される。ＣＭＵＴセルは、半導体基板上に形成した絶縁層内に凹所を形成し、その凹所の開口を膜体で塞いで真空（又はガス封入）間隙を形成し、真空空隙を挟んで膜体の表面と絶縁層の裏面に一対の電極を対向させて設けた構造になっている。そして、ＣＭＵＴセルは、一対の電極間に超音波周波数の電気信号を印加することにより、膜体を振動させて超音波を被検体内に送信する。また、被検体内からの反射エコーを膜体で受信し、膜体の変位を一対の電極間の静電容量の変化として電気信号に変換する。また、複数のＣＭＵＴセルの相互間は、絶縁層からなる枠体で隔離されている。このような構造を有する複数のＣＭＵＴセルの集合体によって１つの振動子を形成し、このような振動子を同一の半導体基板上に１次元又は２次元に複数配列して超音波探触子を形成する。ＣＭＵＴは、圧電セラミック製のトランスデューサに比べて、使用できる超音波の周波数帯域が広く、また、高感度であるなどの利点がある。
一方、ＣＭＵＴは、電極間に直流バイアスを印加し、その直流バイアス電圧を増減することで、電気機械結合係数を増減できる。しかし、超音波の音圧を上げるためには、電気機械結合係数を小さくする必要がある。したがって、所望の音圧を得ようとすると、超音波を電気信号に変換する効率が低下するから、一般に、ＣＭＵＴは圧電セラミック製のトランスデューサに比べて、超音波の変換効率が低い。変換効率が低いと、被検体からの反射エコーが電気信号に変換されずに半導体基板を透過してバッキング層の界面に達して反射される。その結果、被検体とバッキング層の界面との間で反射エコーが繰り返し反射する多重反射の問題が生ずる。このような多重反射を抑制するため、特許文献１には、半導体基板とバッキング層の音響インピーダンスを整合させることが提案されている。
ｃＭＵＴ技術による超音波探触子「Ｍａｐｐｉｅ」の開発，ＭＥＤＩＸ，株式会社日立メディコ，２００９，ｖｏｌ．５１，ｐｐ３１−３４
しかしながら、特許文献１では、バッキング層の音響インピーダンスを半導体基板に整合させても、半導体基板の板厚によって多重反射の抑制効果が異なることについて配慮されていない。
本発明が解決しようとする課題は、ＣＭＵＴを用いた超音波探触子において、半導体基板の板厚を考慮しつつ、反射エコーの多重反射を抑制することにある。
上記の課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、超音波と電気信号を相互に変換する容量性振動要素と、複数の容量性振動要素が表面に形成された半導体基板と、容量性振動要素の表面側に設けられる音響レンズと、半導体基板の裏面側に設けられるバッキング層を備える超音波探触子において、バッキング層は、半導体基板と接する第１のバッキング層と、第１のバッキング層の裏面側に設けられる第２のバッキング層を有し、第１のバッキング層の音響インピーダンスは、半導体基板の音響インピーダンスに比べて音響レンズの音響インピーダンスに近い値に設定され、第２のバッキング層は、前記第１のバッキング層を透過した超音波を減衰可能な減衰材で形成されることを特徴とする。
また、第１のバッキング層は、樹脂に第１のバッキング層の線膨張係数を半導体基板の線膨張係数に近づける調整材を混入して形成することができる。調整材は、例えば、炭素繊維又はガラス繊維を用いることができ、これらの繊維の長手方向を第１のバッキング層の長手方向に合わせて樹脂に混入することができる。
また、第１のバッキング層は、多孔質セラミックに樹脂を充填させて形成することができる。
本発明によれば、ＣＭＵＴを用いた超音波探触子において、半導体基板の板厚を考慮して、反射エコーの多重反射を抑制できる。
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態）
図１〜３に示すように、本実施形態の超音波探触子は、容量性の振動要素であるＣＭＵＴセル１３と、多数のＣＭＵＴセル１３が表面に形成された半導体基板１５とで形成されたＣＭＵＴチップ１と、ＣＭＵＴチップ１の表面側に設けられる音響レンズ３と、ＣＭＵＴチップ１の裏面側に設けられるバッキング層５とを、ケース７に取り付けることよって形成されている。ＣＭＵＴチップ１には、金属ワイヤ９を介してフレキシブル基板１１が接続されている。フレキシブル基板１１は、電源などの図示していない外部装置に電線を介して接続されている。これにより、ＣＭＵＴチップ１に向けて駆動信号を送信できるとともに、直流バイアス電圧を印加できる。また、ＣＭＵＴチップ１で受信した反射エコーを電気信号に変換して外部装置に送信できる。
（実施形態）
図１〜３に示すように、本実施形態の超音波探触子は、容量性の振動要素であるＣＭＵＴセル１３と、多数のＣＭＵＴセル１３が表面に形成された半導体基板１５とで形成されたＣＭＵＴチップ１と、ＣＭＵＴチップ１の表面側に設けられる音響レンズ３と、ＣＭＵＴチップ１の裏面側に設けられるバッキング層５とを、ケース７に取り付けることよって形成されている。ＣＭＵＴチップ１には、金属ワイヤ９を介してフレキシブル基板１１が接続されている。フレキシブル基板１１は、電源などの図示していない外部装置に電線を介して接続されている。これにより、ＣＭＵＴチップ１に向けて駆動信号を送信できるとともに、直流バイアス電圧を印加できる。また、ＣＭＵＴチップ１で受信した反射エコーを電気信号に変換して外部装置に送信できる。
図２に示すように、各ＣＭＵＴセル１３は、絶縁材料からなる絶縁層１７内に形成した凹所の開口を膜体１８で塞いで形成された真空（又はガス封入）間隙１９を有し、真空空隙１９を挟んで膜体１８の表面と絶縁層１７の裏面に一対の電極２１、２３を対向させて設けた構造になっている。そして、ＣＭＵＴセル１３は、一対の電極２１、２３間に超音波周波数の電気信号を印加することにより、膜体１８を静電気力で振動させて超音波を被検体内に送信する。また、被検体内からの反射エコーを膜体１８で受信し、膜体１８の変位を一対の電極２１、２３間の静電容量の変化として電気信号に変換する。また、各ＣＭＵＴセル１３の相互間は、絶縁層１７で形成された枠体で隔離されている。各ＣＭＵＴセル１３は、図３に示すように、リソグラフィ技術などの半導体製造技術によって、半導体基板１５上にパターンニングして形成されている。このような構造を有する多数のＣＭＵＴセル１３の集合体によって１つの振動子が形成され、このような振動子を同一の半導体基板１５上に１次元又は２次元に複数配列してＣＭＵＴチップ１が形成さている。なお、導体デバイスの製造技術によってパターンニングされて、半導体基板１５上に、例えば、１次元又は２次元に複数配置されるこのような構造を有する多数のＣＭＵＴセル１３の集合体によって1つの振動子が形成される。なお、半導体基板１５は、例えば、シリコンによって形成されている。
図１に示すように、ＣＭＵＴチップ１の表面側には、ＣＭＵＴチップ１から照射された超音波を集束させる音響レンズ３が取り付けられている。音響レンズ３は、超音波の照射方向に突出する凸部を備えた、凸型の音響レンズである。音響レンズ３は、被検体の音響インピーダンスに近い材料で形成されている。例えば、生体を被検体とする場合は、生体の音響インピーダンスである１．５ＭＲａｙｌに近い音響インピーダンスの材料で、音響レンズ３は形成される。
ＣＭＵＴチップ１の裏面側には、ＣＭＵＴチップ１の後方への超音波を吸収するバッキング層５が設けられている。バッキング層５と、ＣＭＵＴチップ１の半導体基板１５は、接着層２５を介して接着している。なお、使用する超音波の使用周波数における波長よりも接着層２５の厚みを薄くする、例えば、接着層２５の厚みを１０μｍ以下にすることが好ましい。これにより、使用周波数の超音波の大部分が接着層２５を透過するから、接着層２５の音響インピーダンスの影響を無視できる。
次に、本実施形態の特徴構成を説明する。図１に示すように、バッキング層５は、接着層２５を介して半導体基板１５と接する第１のバッキング層２７と、第１のバッキング層の裏面側に設けられた第２のバッキング層２９を備えている。バッキング層２７は、半導体基板１５の板厚に基づいて設定される設定値の音響インピーダンスの材料で形成される。バッキング層２９は、バッキング層２７よりも超音波の減衰率が高く、かつ、バッキング層２７の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスの材料で形成される。
このように形成される本実施形態の超音波探触子の動作を説明する。ＣＭＵＴセル１３の電極２１、２３間に外部装置からフレキシブル基板１１を介して所定の直流バイアス電圧が印加されて、ＣＭＵＴセル１３の電気機械結合係数が所定値に設定される。そして、外部装置からフレキシブル基板１１を介して所定の駆動信号が電極２１、２３間に送信されると、電気機械結合係数に応じて超音波が生成される。生成された超音波は、音響レンズ３によって集束されて被検体に照射される。被検体で反射した超音波の反射エコーは、音響レンズ３を通過してＣＭＵＴセル１３の膜体１８を振動させる。この振動によって真空間隙１９の静電容量が変化し、この変化に応じた電気信号が電極２１、２３間から出力される。この電気信号は、フレキシブル基板１１を介して、ＣＭＵＴチップ１から外部装置に送信され、適宜処理されて超音波画像が生成される。
次に、本実施形態の超音波探触子の特徴動作を説明する。所定の音圧を得るために、ＣＭＵＴセル１３の電気機械結合係数を小さく設定する。そのため、圧電セラミック製のトランスデューサに比べて、ＣＭＵＴは超音波を電気信号に変換する効率が低く、電気信号に変換されなかった反射エコーが半導体基板１５を透過する。この反射エコーが半導体基板１５とバッキング層５の界面で反射すると、多重反射の原因となる。この際、半導体基板１５の板厚が厚い、例えば、板厚が２００μｍの場合は、半導体基板１５とバッキング層５との音響インピーダンスを整合させると、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率を低下できる。しかし、半導体基板１５の板厚を２００μｍよりも薄くすると、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率は増加する。例えば、後述する図４によれば、半導体基板１５の板厚が５μｍ、２５μｍ、５０μｍの場合は、半導体基板１５の音響インピーダンス（２０ＭＲａｙｌ）よりもバッキング層５の音響インピーダンスを下げた方が、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率を低下できる。これは、使用する超音波の波長と比較して、半導体基板１５の板厚が十分薄くなる、例えば、１／２０以下になると、半導体基板１５の音響インピーダンスの影響を無視できるためと推察される。そのため、半導体基板１５とバッキング層５の界面を、音響レンズ３とバッキング層５の界面と見なすことができるから、バッキング層５の音響インピーダンスを下げて、音響レンズ３の音響インピーダンス（１．５ＭＲａｙｌ）に近づけることで、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率を低減できる。したがって、半導体基板１５を透過した反射エコーは、半導体基板１５とバッキング層５の界面を透過するので、この界面と被検体との間で反射エコーが繰り返し反射する多重反射を抑制できる。なお、半導体基板１５の板厚を薄くすると、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率が低下する傾向にあるから、半導体基板１５の板厚を薄くすることが好ましい。一方、半導体基板１５の板厚を薄くすると、半導体基板１５の強度低下などの問題が生じるから、半導体基板１５の板厚は２５μｍ以上、好ましくは、２５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
ところで、バッキング層５の音響インピーダンスを下げるためには、バッキング層５の材料に、６―ナイロンのような熱可塑性の樹脂を用いることになる。このような樹脂は、一般に、線膨張係数が大きい。一方、半導体基板１５は、線膨張係数が小さいシリコンなどで形成される。そのため、半導体基板１５をバッキング層５に接着する際の熱応力によって、半導体基板１５とバッキング層５の接合体に反りなどの構造歪みが生じる。特に、バッキング層５の長手方向は変形が大きく、構造歪みが大きい。このように構造歪みが生じると、目標の寸法が得られず、装置の信頼性が低下する。そこで、本実施形態は、半導体基板１５に接する側に、線膨張係数を下げて半導体基板１５に近づけた第１のバッキング層２７を配置した。例えば、繊維の長手方向がバッキング層２７の長手方向に沿うように、炭素繊維又はガラス繊維を樹脂に混合して、バッキング層２７を形成する。
一方、線膨張係数を下げたバッキング層２７は、超音波の減衰率が低く、バッキング層２７のみでは超音波を減衰しきれない。そこで、本実施形態は、バッキング層２７の裏面側に、バッキング層２７よりも超音波の減衰率が高い第２のバッキング層２９を配置した。バッキング層２９の材料は、バッキング層２７よりも超音波の減衰率が高く、かつ、バッキング層２７に用いた樹脂よりも弾性率が小さい樹脂、例えば、ポリウレタン、エポキシ樹脂、フェライトゴムなどを用いることができる。バッキング層２７とバッキング層２９の音響インピーダンスの差が大きいと、バッキング層２７とバッキング層２９の界面の音圧反射率が大きくなる。そのため、バッキング層２９を形成する樹脂にタングステン、シリコンなどを混合し、バッキング層２９の音響インピーダンスをバッキング層２７の音響インピーダンスに近づける。これにより、バッキング層２７とバッキング層２９の界面の音圧反射率を小さくできるから、減衰率の高いバッキング層２９により、反射エコーを減衰できる。以下、第１のバッキング層２７と第２のバッキング層２９の詳細を実施例に基づいて説明する。
本発明の発明者らは、半導体基板とバッキング層の音響インピーダンスを整合させても、半導体基板の板厚が薄いと多重反射の抑制度合いが低いことを知見した。バッキング層の音響インピーダンスを、半導体基板の板厚に応じて変えると、多重反射の抑制に有効であることに基づく本発明の原理を説明する。
被検体からの反射エコーが半導体基板を透過し、半導体基板とバッキング層の界面で反射し、この界面と被検体との間で繰り返し反射することにより、多重反射が生じる。したがって、半導体基板とバッキング層の界面の超音波の反射率（音圧反射率）を低減できれば、多重反射を抑制できる。この音圧反射率（ｍｒ）は、以下の数１で算出できる。
Ｚ１：半導体基板の音響インピーダンス
Ｚ２：音響レンズの音響インピーダンス
Ｚ３：バッキング層の音響インピーダンス
γ１：半導体基板の伝播定数
ｄ１：半導体基板の板厚
半導体基板の音響インピーダンス（Ｚ１）を２０ＭＲａｙｌとし、音響レンズの音響インピーダンス（Ｚ２）を１．５ＭＲａｙｌとし、バッキング層の音響インピーダンス（Ｚ３）を１．５ＭＲａｙｌ、４ＭＲａｙｌ、６ＭＲａｙｌ、２０ＭＲａｙｌとし、半導体基板の板厚（ｄ１）を５μｍ、２５μｍ、５０μｍ、２００μｍとして、半導体基板とバッキング層の界面の音圧反射率（ｍｒ）を数１で算出した。そして、算出した音圧反射率を半導体基板の板厚ごとに分類して、図４（ａ）から（ｄ）のグラフを得た。（ａ）は半導体基板の板厚が５μｍ、（ｂ）は半導体基板の板厚が２５μｍ、（ｃ）は半導体基板の板厚が５０μｍ、（ｄ）は半導体基板の板厚が２００μｍの場合を示している。また、（ａ）から（ｄ）は、縦軸を半導体基板とバッキング層の界面の音圧反射率、横軸を超音波診断に使用する超音波の使用周波数としたグラフである。なお、半導体基板の音響インピーダンス（Ｚ１）と半導体基板の伝播定数（γ１）は、半導体基板の一般的な材料であるシリコンの音響インピーダンスと、超音波の伝播定数を用いた。
半導体基板の板厚が薄い（ａ）から（ｃ）と、半導体基板の板厚が厚い（ｄ）を比較すると、半導体基板の板厚が薄い場合は、バッキング層の音響インピーダンスを、半導体基板の音響インピーダンスである２０ＭＲａｙｌよりも低く設定すると、半導体基板とバッキング層の界面の音圧反射率を低減できる。これに対して、半導体基板の板厚が厚い場合は、バッキング層の音響インピーダンスを、半導体基板の音響インピーダンスである２０ＭＲａｙｌに設定した方が、半導体基板とバッキング層の界面の音圧反射率を低減できる。これは、半導体基板の板厚が薄くなると、半導体基板の音響インピーダンスの影響が小さくなったためと推察される。すなわち、超音波探触子は、音響レンズ、半導体基板、バッキング層の順に形成されるため、半導体基板を無視すると、半導体基板とバッキング層の界面は、音響レンズとバッキング層の界面と見なすことができる。したがって、バッキング層の音響インピーダンスを下げて音響レンズに近づけることで、半導体基板とバッキング層で界面の音圧反射率が低減すると推察される。
これらの知見に基づいて、本発明の超音波探触子の実施例１は、図１〜３に示したように、超音波と電気信号を相互に変換する容量性振動要素であるＣＭＵＴセル１３と、複数の容量性振動要素が表面に形成された半導体基板１５と、容量性振動要素の表面側に設けられる音響レンズ３と、半導体基板１５の裏面側に設けられるバッキング層５を備える超音波探触子において、バッキング層５は、半導体基板と接する第１のバッキング層２７と、第１のバッキング層２７の裏面側に設けられる第２のバッキング層２９を有し、第１のバッキング層２７は、半導体基板１５の板厚に基づいて音響インピーダンスが設定され、第２のバッキング層２９は、第１のバッキング層２７を透過した超音波を減衰可能な減衰材で形成され、音響インピーダンスは第１のバッキング層２７の音響インピーダンスに合わせて設定されることを特徴とする。
すなわち、バッキング層５の音響インピーダンスが同じであっても、半導体基板１５の板厚によって、半導体基板１５とバッキング層５の界面の音圧反射率が変化するから、多重反射の抑制度合いが変わる。そのため、半導体基板１５の板厚に基づいて、半導体基板１５に接する第１のバッキング層２７の音響インピーダンスを、多重反射の抑制に有効な音響インピーダンスに設定する。これにより、多重反射の抑制度合いを向上できるから、超音波画像の虚像の描出原因となる多重反射による不要応答を低減できる。
なお、第１のバッキング層２７は、半導体基板と接するので使用できる材料に制約があり、超音波の減衰率の高い材料を使用できないことがある。そのため、第１のバッキング層２７よりも超音波の減衰率の大きな第２のバッキング層２９を設け、第１のバッキング層２７を透過した反射エコーを減衰させることが好ましい。
ところで図４（ｂ）によれば、超音波診断の超音波の使用周波数が５ＭＨｚ以下の場合は、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスを１．５ＭＲａｙｌに設定すると、半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率が最も低くなる。一方、超音波の使用周波数が１５ＭＨｚの場合は、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスを６ＭＲａｙｌに設定すると、半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率が最も低くなる。したがって、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌ以上６ＭＲａｙｌ以下に設定することが好ましい。特に、超音波診断に使用する超音波の使用周波数は、一般に、２〜１５ＭＨｚであるから、この使用周波数の超音波を一つの超音波探触子で送信する場合は、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスを４ＭＲａｙｌ以上６ＭＲａｙｌ以下に設定することで、使用周波数の広い領域において多重反射の抑制度合いを向上できる。
また、図４（ｃ）の半導体基板の板厚が５０μｍの場合において、超音波の使用周波数が７ＭＨｚを超えると、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスが１．５ＭＲａｙｌでは、多重反射の抑制効果が従来よりも低い。したがって、この場合は、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスの設定値を、１．５ＭＲａｙｌを超える値、好ましくは、４ＭＲａｙｌ以上６ＭＲａｙｌ以下に設定することで、使用周波数の広い領域において、多重反射の抑制度合いを向上できる。
ところで、第１のバッキング層２７の音響インピーダンスを、１．５ＭＲａｙｌ、４ＭＲａｙｌ、６ＭＲａｙｌ等の低い値に設定するためには、音響インピーダンスの低い樹脂で第１のバッキング層２７を形成することになる。そのため、第１のバッキング層２７の線膨張係数が大きくなる。一方、半導体基板１５は線膨張係数の小さなシリコン等で形成される。そのため、半導体基板１５と第１のバッキング層２７との接着作業を高温で行うと、半導体基板１５と第１のバッキング層２７との接着時に生じる熱応力によって構造歪みが生じるおそれがある。
この場合は、半導体基板１５と第１のバッキング層２７の線膨張係数を近づけることが好ましい。例えば、炭素繊維又はガラス繊維等の長手方向を第１のバッキング層の長手方向に合わせて樹脂に混入し、第１のバッキング層を形成することが好ましい。また、多孔質セラミックに樹脂を充填して第１のバッキング層２７を形成することで、半導体基板１５と第１のバッキング層２７の線膨張係数を近づけることができる。
図５（ａ）（ｂ）に、実施例１の第１のバッキング層２７を示す。実施例１は、音響インピーダンスが、音響レンズ３に近い６−ナイロンをベース３１とし、このベース３１に調整材として炭素繊維３３を混入して、第１のバッキング層２７を形成した。バッキング層２７は、例えば、６−ナイロンと炭素繊維３３の混合物を型に押し込む射出成形により形成できる。この際、型の壁面側は、摩擦により混合物の流速が低下し、炭素繊維３３の長手方向が射出方向に揃えられる。したがって、６−ナイロンと炭素繊維３３の混合物の注入方向とバッキング層２７の長手方向を一致させることで、バッキング層２７と炭素繊維３３の長手方向を揃えることができる。これらにより、バッキング層２７の音響インピーダンスを４ＭＲａｙｌに設定し、バッキング層２７の長手方向の線膨張係数を５ｐｐｍ／℃に調整した。ベース３１の樹脂の種類や調整材の種類及び混合量を適宜変更することで、バッキング層２７の音響インピーダンスと線膨張係数を所望の値に設定できる。なお、半導体基板１５の材料であるシリコンの線膨張係数は、３ｐｐｍ／℃である。一方、６−ナイロン単体の線膨張係数は、９０から１００ｐｐｍ／℃であり、炭素繊維の線膨張係数は、約０ｐｐｍ／℃である。また、バッキング層２７は、長手方向と短手方向で線膨張係数が異なる異方性材料である。
バッキング層２７を、ＣＭＵＴセル１３が形成された半導体基板１５に接着する。半導体基板１５は、シリコンを材料とし、板厚を４０μｍに形成した。この状態で、バッキング層２７の裏面側に第２のバッキング層２９の型を取り付け、この型にバッキング層２９の材料を流し込み、バッキング層２７の裏面側にバッキング層２９を形成した。バッキング層２９の材料は、熱硬化型のポリウレタンをベースとして、このベースにタングステンを添加した混合物を用いた。これにより、バッキング層２９の音響インピーダンスを４ＭＲａｙｌに設定し、弾性率を５００ＭＰａに設定した。また、バッキング層２９の厚みを６ｍｍとし、バッキング層２９の硬化温度を４０℃に設定した。なお、バッキング層２９の音響インピーダンスと弾性率は、ベースの樹脂の種類、添加剤の種類及び添加量を適宜変更することで、所望の値に設定できる。また、バッキング層２９の厚みは、バッキング層２７の超音波の減衰率に基づいて、適宜設定できる。
バッキング層２７、２９が形成されたＣＭＵＴチップ１を、ケース７に実装して、実施例１の超音波探触子とした。この超音波探触子の半導体基板１５とバッキング層２７の界面における超音波の音圧反射率を図６に示す。図６は、縦軸を半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率、横軸を超音波診断に使用する超音波の使用周波数としたグラフである。なお、半導体基板の音響インピーダンスに整合させるために、ＰＶＣ―タングステンの複合材を使用して音響インピーダンスを２０Ｍｒａｙｌに設定し、その他の構成は実施例１と同じ超音波探触子を比較例１として図６に記載した。
図６から明らかなように、バッキング層２７の音響インピーダンスを、半導体基板１５の音響インピーダンスに整合させた比較例１よりも、音響レンズ３の音響インピーダンスに近づけた実施例１の方が、一般的な超音波の使用周波数（２から１５ＭＨｚ）において、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における音圧反射率が低くなっている。例えば、超音波の使用周波数が５ＭＨｚでは、比較例１は音圧反射率が８５％であったが、実施例１は６３％まで低減できた。すなわち、実施例１の超音波探触子は、多重反射の抑制度合いが高いから、多重反射による虚像が超音波画像に現れることを抑制でき、信頼性の高い超音波画像を得ることができる。
一方、半導体基板１５とバッキング層２７の接着時の加熱によって、半導体基板１５とバッキング層２７の接着体に反りが生ずる。この反り量を図７に示す。図７は、縦軸を接着体の反り量とし、横軸をバッキング層の長手方向の距離としたグラフである。また、ナイロンとタングステンの混合材料を使用して形成した線膨張係数６０ｐｐｍ／℃のバッキング層を、比較例２として図７に記載した。図７によれば、比較例２は、７０ｍｍ程度の反りが発生しているが、実施例１は、反り量を１０ｍｍ程度にまで低減できる。したがって、反りによる構造歪みを低減でき、超音波探触子の精度及び信頼性を向上できる。
なお、第２のバッキング層２９の線膨張係数は１００ｐｐｍ／℃であった。しかし、第２のバッキング層２９を第１のバッキング層２７よりも弾性率が小さく、かつ、硬化温度の低い材料を用いることで、バッキング層２７、２９の間に生ずる熱応力をバッキング層２９で吸収できる。これにより、バッキング層２７、２９の間の構造歪みを抑制できる。
なお、第１のバッキング層２７の炭素繊維３３の混合量を、例えば、４０ｖｏｌ％に設定できる。しかし、炭素繊維３３が多くなると、バッキング層２７の断面に占める炭素繊維３３が多くなり、音響インピーダンスが増加するから、上限は、炭素繊維３３の混合量の上限は、５０ｖｏｌ％以下に設定することが好ましい。また、炭素繊維３３の長さは適宜選択できるが、例えば、長さが３ｍｍの炭素繊維３３を用いることができる。
また、実施例１は、バッキング層２７の線膨張係数を炭素繊維３３で調整したが、炭素繊維３３に代えてガラス繊維で線膨張係数を調整できる。
また、シリカやタングステンをバッキング層２７に混合して、バッキング層２７の音響インピーダンスを調整できる。
図８に、実施例２の超音波探触子の、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における超音波の音圧反射率を示す。実施例２が実施例１と相違する点は、半導体基板１５の板厚を３０μｍに設定した点である。さらに、第２のバッキング層２９を、エポキシ樹脂とタングステンの混合材料で形成した点である。なお、その他の構成は実施例１と同じであるから説明を省略する。また、実施例２のバッキング層２９は、音響インピーダンスを４ＭＲａｙｌ、弾性率を５００ＭＰａ、厚みを６ｍｍ、線膨張係数を１００ｐｐｍ／℃、硬化温度を４０℃に設定した。つまり、実施例２のバッキング層２９は、組成以外は、実施例１と同じである。
図８は、縦軸を半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率、横軸を超音波診断に使用する超音波の使用周波数としたグラフである。なお、半導体基板の音響インピーダンスに整合させるために、ＰＶＣ―タングステンの複合材を使用して音響インピーダンスを２０Ｍｒａｙｌに設定した第１のバッキング層を用い、その他の構成は実施例２と同じ超音波探触子を、比較例３として図８に記載した。
図８から明らかなように、バッキング層２７の音響インピーダンスを、比較例３よりも、実施例２の方が、一般的な超音波の使用周波数（２から１５ＭＨｚ）において、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における音圧反射率が低くなっている。例えば、超音波の使用周波数が５ＭＨｚでは、比較例３の音圧反射率は８５％であったが、実施例２で５８％まで音圧反射率を低減できる。
また、実施例１と実施例２を比較すると、実施例２の方が半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率が低くなっている。したがって、半導体基板１５の板厚が薄い方が、半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率が低く、多重反射の抑制効果が高いことがわかる。
なお、実施例２においても、実施例１と同様に、半導体基板１５とバッキング層２７の接着体の反り量を１０ｍｍ程度に抑えることができる。
図９に実施例３の超音波探触子の短軸方向の断面図を示す。実施例３が実施例１と相違する点は、第２のバッキング層２９をフェライトゴムで形成し、第１のバッキング層２７と第２のバッキング層２９を熱硬化型のエポキシ樹脂の接着剤で接着した点である。その他の構成は実施例１と同一であるから同一の符号を付して説明を省略する。
フェライトゴムは、設定寸法に成形され、又は設定寸法に切り出されて形成されている。このフェライトゴムを減衰材として、バッキング層２９に用いる。バッキング層２７とバッキング層２９は、接着材のエポキシ樹脂層３５を介して接着した。この際、エポキシ樹脂層３５の厚みを１０μｍ以下まで薄くする。これにより、超音波の使用周波数での波長と比較して、材料厚みが著しく小さくできるから、エポキシ樹脂層３５の音響インピーダンスを無視でき、エポキシ樹脂層３５の界面における超音波の反射を抑制できる。
実施例３の超音波探触子も、実施例１と同様に、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における音圧反射率を低減できた。また、半導体基板１５とバッキング層２７の接合体の反り量は、実施例１よりも小さく、５ｍｍであった。
なお、バッキング層２９としては、フェライトゴムの他、タングステン含有塩ビ酢ビ等、通常の超音波探触子におけるバッキング材をベースとした材料を用いることができる。
また、接着材は、エポキシ樹脂に限定されず、硬化温度が室温に近く、かつ、弾性率の低い材料を用いることができる。
以下に実施例４を説明する。実施例４が図１の実施例１と相違する点は、半導体基板１５の板厚を２５μｍとした点である。さらに、第２のバッキング層２９を、熱硬化型のエポキシ樹脂にタングステン及びマイクロバルーンを混ぜた複合材料により厚み３ｍｍに形成した点である。その他の構成は実施例１と同一であるから説明を省略する。
バッキング層２９は、エポキシ樹脂にタングステンと中空粒子であるマイクロバルーンを混合して形成される。マイクロバルーンを混合すると、同一音響インピーダンスでありながら、超音波の減衰率を大きくできる。したがって、実施例１と比較して、実施例４は、バッキング層２９の厚みを半分にできる。
バッキング層２９の超音波の減衰率とマイクロバルーンの配合量の関係を図１０に示す。図１０は、縦軸をバッキング層２９の超音波減衰率、横軸をマイクロバルーンの配合比としたグラフである。図１０のグラフから明らかなように、マイクロバルーンの配合量が増加すると、超音波の減衰率が増加する。したがって、バッキング層２９を薄くできるから、超音波探触子を軽量化できる。なお、実施例４のバッキング層２９は、音響インピーダンスを４ＭＲａｙｌ、線膨張係数１００ｐｐｍ／℃、弾性率５００ＭＰａ、硬化温度は４０℃とした。
図１１に、実施例４の超音波探触子の半導体基板１５とバッキング層２７の界面における超音波の音圧反射率を示す。図１１は、縦軸を半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率、横軸を超音波診断に使用する超音波の使用周波数としたグラフである。なお、比較のため、第１のバッキング層２７を半導体基板の音響インピーダンスに整合させるために、ＰＶＣ―タングステンの複合材を使用して音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌに設定し、その他の構成は実施例４と同じに形成した比較例４の音圧反射率を図１１に記載した。
図１１に示すように、実施例４の超音波探触子は、比較例４よりも半導体基板１５と第１のバッキング層２７の界面における音圧反射率を低減できる。例えば、超音波の使用周波数が５ＭＨｚでは音圧反射率を８５％から５５％に低減できる。また、超音波の使用周波数が１０ＭＨｚ付近の音圧反射率においても８５％から７０％程度に低減できた。半導体基板１５と第１のバッキング層２７の接着時の反り量に関しても、反り量を５ｍｍ程度まで低減できた。
図１２に実施例５の超音波探触子の断面構造を示す。実施例５が実施例１と相違する点は、半導体基板１５の裏面側に、接着層２５を介してフレーム材３９を接着した点である。そして、フレーム材３９の中央部を刳り貫き、その刳り貫き部に第１のバッキング層２７を挿入し、第１のバッキング層２７を接着層２５を介して半導体基板１５の裏面側に接着している点である。その他の構成は実施例１と同一であるから同一の符号を付して説明を省略する。
フレーム材３９は、セラミックや合金などの材料で形成され、ＣＭＵＴチップ１とフレキシブル基板１１を固定する基台の役割を果たす。フレーム材３９の中央部には、バッキング層２７を挿入可能な刳り貫き部が形成されている。バッキング層２７は、刳り貫き部に挿入されて固定されている。バッキング層２７は、ＣＭＵＴチップ１よりも小さく形成されている。これは、ＣＭＵＴチップ１の音響放射部（超音波放射部）は、ＣＭＵＴチップ１の全体にあるわけではないので、音響放射部がある中央部のみにバッキング層２７を配置し、音響放射部をバッキング層２７でカバーした。
これによれば、バッキング層２７よりも構造が安定なフレーム材３９でＣＭＵＴチップ１を支持できるから、超音波探触子の組み立て作業などの実用性を向上できる。なお、実施例５の多重反射の抑制効果、及び構造歪みの低減効果は、実施例１と同様である。
以下に実施例６の超音波探触子を説明する。実施例６が図１の実施例１と相違する点は、多孔質セラミックに樹脂を充填して第１のバッキング層２７を形成した点である。また、熱硬化型のエポキシ樹脂にタングステンを混ぜて第２のバッキング層２９を形成した点である。その他の構成は実施例１と同じであるから、説明を省略する。
バッキング層２７は、音響インピーダンスを６ＭＲａｙｌ、線膨張係数を１０ｐｐｍ／℃に設定した。バッキング層２９は、音響インピーダンス６ＭＲａｙｌ、線膨張係数を８０ｐｐｍ／℃、弾性率を５００ＭＰａ、厚さ６ｍｍに設定した。バッキング層２９は、実施例１と同様に硬化温度４０℃で流し込みにより形成した。なお、半導体基板１５の厚みを４０μｍとした。
図１３に、実施例６の超音波探触子の、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における超音波の音圧反射率を示す。図１３は、縦軸を半導体基板１５とバッキング層２７の界面の音圧反射率、横軸を超音波診断に使用する超音波の使用周波数としたグラフである。なお、比較のため、第１のバッキング層２７を半導体基板の音響インピーダンスに整合させるために、ＰＶＣ―タングステンの複合材を使用して音響インピーダンスを２０ＭＲａｙｌに設定し、その他の構成は実施例６と同じに形成した比較例５の音圧反射率を図１３に記載した。
図１３に示すように、実施例６の超音波探触子は、比較例５よりも半導体基板１５とバッキング層２７の界面における音圧反射率を低減できる。例えば、超音波の使用周波数が５ＭＨｚでは音圧反射率を８５％から７０％に低減できた。一方、実施例６は実施例１よりも音響インピーダンスが大きいので、実施例１よりも実施例６は音圧反射率が大きくなった。したがって、半導体基板１５とバッキング層２７の界面における音圧反射率を、例えば、８５％よりも低く設定する場合は、バッキング層２７の音響インピーダンスは６ＭＲａｙｌ以下に設定することが好ましい。
１ ＣＭＵＴチップ
３ 音響レンズ
５ バッキング層
１３ ＣＭＵＴセル
１５ 半導体基板
２７ 第１のバッキング層
２９ 第２のバッキング層
３３ 炭素繊維
３ 音響レンズ
５ バッキング層
１３ ＣＭＵＴセル
１５ 半導体基板
２７ 第１のバッキング層
２９ 第２のバッキング層
３３ 炭素繊維
Claims (7)
- 超音波と電気信号を相互に変換する容量性振動要素と、複数の前記容量性振動要素が表面に形成された半導体基板と、前記容量性振動要素の表面側に設けられる音響レンズと、前記半導体基板の裏面側に設けられるバッキング層を備える超音波探触子において、
前記バッキング層は、前記半導体基板と接する第１のバッキング層と、該第１のバッキング層の裏面側に設けられる第２のバッキング層を有し、
前記第１のバッキング層の音響インピーダンスは、前記半導体基板の音響インピーダンスに比べて前記音響レンズの音響インピーダンスに近い値に設定され、
前記第２のバッキング層は、前記第１のバッキング層を透過した超音波を減衰可能な減衰材で形成され、
前記第１のバッキング層は、樹脂で形成され、該樹脂に該第１のバッキング層の線膨張係数を前記半導体基板の線膨張係数に近づける調整材を混入して形成され
前記調整材は、炭素繊維又はガラス繊維であり、繊維の長手方向を前記第１のバッキング層の長手方向に合わせて前記樹脂に混入されることを特徴とする超音波探触子。 - 超音波と電気信号を相互に変換する容量性振動要素と、複数の前記容量性振動要素が表面に形成された半導体基板と、前記容量性振動要素の表面側に設けられる音響レンズと、前記半導体基板の裏面側に設けられるバッキング層を備える超音波探触子において、
前記バッキング層は、前記半導体基板と接する第１のバッキング層と、該第１のバッキング層の裏面側に設けられる第２のバッキング層を有し、
前記第１のバッキング層の音響インピーダンスは、前記半導体基板の音響インピーダンスに比べて前記音響レンズの音響インピーダンスに近い値に設定され、
前記第２のバッキング層は、前記第１のバッキング層を透過した超音波を減衰可能な減衰材で形成され、
前記第１のバッキング層は、多孔質セラミックに樹脂を充填させて形成されてなることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１に記載の超音波探触子において、
前記第２のバッキング層の超音波減衰率が前記第１のバッキング層の超音波減衰率より高いことを特徴とする超音波探触子。 - 請求項３に記載の超音波探触子において、
前記第２のバッキング層は、前記第１のバッキング層に用いた樹脂よりも弾性率が小さい樹脂を用いて形成されてなることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項４に記載の超音波探触子において、
前記第２のバッキング層の音響インピーダンスは、前記第２のバッキング層を形成する樹脂にタングステン又はシリコンを混合して前記第１のバッキング層の音響インピーダンスに近づけられてなることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１に記載の超音波探触子において、
前記半導体基板の板厚は、２５μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項１に記載の超音波探触子において、
前記超音波の周波数範囲は、２ＭＨｚ以上、１５ＭＨｚ以下であり、
第１のバッキング層の音響インピーダンスは、１．５ＭＲａｙｌ以上、６ＭＲａｙｌ以下、好ましくは４ＭＲａｙｌ以上６ＭＲａｙｌ以下に設定されることを特徴とする超音波探触子。
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