JP6071285B2 - 静電容量型トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波変換素子などとして用いられる静電容量型トランスデューサ、その製造方法等に関する。

従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材は、マイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いた静電容量型トランスデューサは、圧電素子を用いるトランスデューサの代替品として研究されている。こうした静電容量型トランスデューサによると、振動膜の振動を用いて超音波、音波、光音響波などの音響波（以下、超音波で代表することもある）を送信、受信することができる。特に、液中において優れた広帯域特性（広い周波数領域で比較的高い受信感度あるいは送信感度を持つ特性）を容易に得ることができる。

上記技術として、ばね定数が高い振動膜を有するセルとばね定数が低い振動膜を有するセルを用いて、広帯域特性を実現する静電容量型トランスデューサが提案されている（特許文献１参照）。また、ばね定数が高い複数のセルから構成されるセルグループとばね定数が低い複数のセルから構成されるセルグループを有することにより、広帯域特性を実現する静電容量型トランスデューサも提案されている（特許文献２参照）。

米国特許第５８７０３５１号 米国特許公開２００７００５９８５８

上記の如き静電容量型トランスデューサにおいて、共通電極に対して共通電圧を印加して送信、受信駆動を行うことができる。しかし、その場合、ばね定数が高い振動膜を有するセルとばね定数が低い振動膜を有するセルとの複数種のセルで、電気機械変換係数が異なる。従って、広帯域特性を実現することができる一方、複数種のセルの電気機械変換係数が異なって、パルス電圧に対する送信音圧の比である送信感度或いは受信音圧に対する受信電気信号の比である受信感度が低下してしまうことがある。

上記課題に鑑み、本発明の静電容量型トランスデューサは、第１の電極と、間隙を挟んで第１の電極と対向する第２の電極を含む振動膜と、間隙が形成されるように振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルと、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、を有する。そして、前記セルとして、第１のばね定数を有する振動膜を含む第１のセルと、前記第１のばね定数より小さい第２のばね定数を有する振動膜を含む第２のセルと、を有し、第１のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離が、第２のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離より短く、且つ、前記電圧印加手段は前記第１のセルと、前記第２のセルと、に共通の電圧を印加するものである。また、本発明の他の静電容量型トランスデューサは、第１の電極と、間隙を挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極を含む振動膜と、前記間隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルと、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、を有する静電容量型トランスデューサであって、前記セルとして、第１のばね定数を有する前記振動膜を含む第１のセルと、前記第１のばね定数より小さい第２のばね定数を有する前記振動膜を含む第２のセルと、を有し、前記第１のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離が、前記第２のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離より短く、且つ、前記電圧印加手段は前記第１のセルと、前記第２のセルと、に共通の電圧を印加するものであり、前記第１のセルのプルイン電圧と前記第２のセルのプルイン電圧とが略同じになる様に前記第１のセルと前記第２のセルとが構成されている。

本発明の静電容量型トランスデューサは、振動膜のばね定数及び電極間の距離が異なる複数種のセルを含んで構成される。従って、受信感度あるいは送信感度の周波数特性が異なる複数種のセルを含んで受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができる静電容量型トランスデューサを、要求に応じて、上記構成上の限定の範囲内において柔軟な設計で実現できる。

本発明の実施形態及び実施例１の静電容量型トランスデューサを説明する図。 本発明の実施形態及び実施例２の静電容量型トランスデューサを説明する図。 本発明の実施形態及び実施例３の静電容量型トランスデューサを説明する図。 本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法の例を説明する図。 本発明の静電容量型トランスデューサを用いる被検体情報取得装置の例を示す図。

本発明の静電容量型トランスデューサの特徴は、広帯域特性を実現するために、振動膜のばね定数及び電極間の距離が異なる複数種（２種類或いは３種類以上）のセルを設けることである。こうした構成の特徴によれば、一定の制限の下で複数種のセルの構造を種々に設計することができる。例えば、ばね定数が大きい第１のセルの振動膜の厚さを、ばね定数が小さい第２のセルの振動膜の厚さより厚くし、かつ、第１のセルの振動膜の面積を、第２のセルの振動膜の面積とほぼ同じにして、各セルの放射インピーダンスをほぼ同じにすることができる。こうした例は後述の図２に示されている。なお、本明細書において、放射インピーダンスとは、振動膜の振動速度と振動膜から外部（空気や液体媒質など）に作用する力（圧力）の比のことであり、セル形状や振動膜形状に依存する。また、ばね定数が大きい第１のセルの振動膜の面積を、ばね定数が小さい第２のセルの振動膜の面積より小さくし、かつ、第１のセルの振動膜の厚さを、第２のセルの振動膜の厚さとほぼ同じにして、作製を容易にすることができる。

本発明の構成によれば広帯域特性を実現できるが、一方、共通電極から共通電圧を印加する場合、第１のセルの電気機械変換係数は第２のセルの電気機械変換係数より低くなることがあるため、送信或いは受信感度が低下してしまうことがある。電気機械変換係数は、プルイン電圧に対する印加電圧の比が高いほど高い。プルイン電圧とは、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加した場合に、振動膜の復元力より静電引力のほうが大きくなって振動膜が間隙底面に接触する電圧のことであり、プルイン電圧以上の電圧を印加すると、振動膜が間隙底面に接触する。印加電圧をプルイン電圧より大きくならないように設定する場合、電気機械変換係数は、第一の電極と第二の電極との間の静電容量と電界強度の積に比例する。電界強度は印加電圧に比例するので、電気機械変換係数は第一の電極と第二の電極との間の静電容量と印加電圧の積に比例し、プルイン電圧印加時に最大となる。そのプルイン電圧は、ばね定数の約０．５乗、上下電極間の実効的なギャップの約１．５乗に比例する。実効的なギャップとは、上下電極間の振動膜を比誘電率で割った値とキャビティギャップを足し合わせたものである。プルイン電圧は、振動膜のばね定数が高いほど、第１の電極と第２の電極との距離が長いほど高くなる。従って、他の構造上の条件がほぼ同じであれば、振動膜のばね定数が高いセルのプルイン電圧は、振動膜のばね定数が低いセルのプルイン電圧より高くなる。本発明の構成によれば、振動膜のばね定数と電極間の距離を調整して、第１のセルのプルイン電圧と第２のセルのプルイン電圧との差を少なくする、或いは同じにすることができる。よって、たとえ共通電圧を印加する場合でも、電気機械変換係数を向上させることができる。従って、本発明の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。

他方、前記第１のセルの電極間に電圧を印加するための第１の電圧印加手段と、前記第２のセルの電極間に電圧を印加するための第２の電圧印加手段を設けることもできる。この場合、たとえ第１のセルのプルイン電圧と第２のセルのプルイン電圧とが異なっていても、複数種のセルにそれぞれ印加する電圧の大きさを適宜調整することで送信感度或いは受信感度を向上させることができる。以上より、本発明の静電容量型トランスデューサでは、受信時或いは送信時の周波数帯域を広くすることができると共に、振動膜のばね定数と電極間の距離を適宜設計すれば、送信感度或いは受信感度を向上させることもできる。

以下に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の静電容量型トランスデューサの上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本実施形態では、第１のセル１２、第２のセル１９をそれぞれ複数有する静電容量型トランスデューサ（エレメント）１を複数有している。図１では、２つの静電容量型トランスデューサのみ記載しているが、トランスデューサ数は幾つでも構わない。また、複数の静電容量型トランスデューサは、第１のセル１２と第２のセル１９、それぞれ２２個と８個から構成されているが、セル個数も幾つであっても構わない。また、セルの配列はどのような配列でも構わない。

本実施形態の第１のセル１２は、基板２、基板２上に形成される絶縁膜３、絶縁膜３上に形成される第１の電極４、第１の電極４上の絶縁膜５を有する。さらに、第２の電極６とメンブレン７とを含む振動膜８と、振動膜８を支持する支持部１０、キャビティ（間隙）９とを有している。基板２がガラス基板などの絶縁性基板の場合、絶縁膜３はなくてもよい。

第２のセル１９は、第１のセル１２とほぼ同じ構成である。第２のセル１９では、振動膜１６のばね定数が第１のセル１２の振動膜８のばね定数より低い構成となっている。図１（ｂ）では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜１６の直径を振動膜８の直径より大きくすることにより、ばね定数を小さくしている。振動膜の形状は円形であるが、正方形、長方形等の形状でも構わない。

また、第１のセル１２及び第２のセル１６の第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１１を有している。１３、１４、１５、１６は、それぞれ、第２のセル１９の第１の電極、第２の電極、メンブレン、キャビティ（間隙）である。

振動膜８、１６のメンブレン７、１５は絶縁膜である。特に、窒化シリコン膜は、低い引張り応力、例えば、３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することができるので、窒化シリコン膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止することができ望ましい。振動膜８、１６のメンブレン７、１５は絶縁膜でなくとも構わない。例えば、１Ωｃｍ以下の低抵抗シリコン単結晶をメンブレン７、１５として用いることもできる。その場合、メンブレンを第２の電極として用いることもできる。

前述した如く、第２のセル１９の振動膜１６のばね定数は第１のセル１２の振動膜８のばね定数より低い構成となっている。従って、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができる。

ここでは、第２のセル１９の振動膜１６のばね定数が第１のセル１２のそれのばね定数より低い構成となっており、振動膜のばね定数が高いセルのプルイン電圧は、振動膜のばね定数が低いセルのプルイン電圧より高い。よって、共通電極に共通電圧を印加する場合、そのままでは、第１のセルの電気機械変換係数は、第２のセルの電気機械変換係数より低くなるため、送信或いは受信感度が低下してしまう。本構成では、第１のセルの第１の電極４と第２の電極６との間の距離を、第２のセルの第１の電極１３と第２の電極１４との間の距離より短い構成として、この点では第２のセルのプルイン電圧を高くする。そして、総合的には第１及び第２のセルのプルイン電圧を近づけている。第１の電極と第２の電極との間の距離の計算において、絶縁膜などが比誘電率(真空の誘電率との比)を有する場合、絶縁膜の厚さとして比誘電率で割った実効的な厚さを用い、絶縁膜の厚さと間隙高さ及びメンブレン厚さなどを足し合わせる。

本構成にする方法は、どのような構造であっても構わない。例えば、第２のセルのメンブレン１５の厚さを第１のセルのメンブレン７の厚みより厚くして、第２の電極をメンブレン上に形成する方法、第２のセルのキャビティ１７の高さを第１のセルのキャビティ９の高さより高くする方法、等がある。また、第２のセルの絶縁層５の厚さを第１のセルの絶縁層５の厚さより厚くする方法等がある。

本構成により、第１のセルのプルイン電圧と第２のセルのプルイン電圧との差を少なくする、或いは同じにすることができるので、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。従って、本実施形態の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くできるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。

また、第１のセルの振動膜厚さは第２のセルの振動膜厚さより厚く、かつ、第１のセルの振動膜面積は第２のセルの振動膜面積と同じである構成とすることもできる。この構成によって、図２（ａ）にように、上面から見た各セルの形状が同じであるため、全てのセルの放射インピーダンスを揃えることができる。従って、各セルの放射インピーダンスが同じであるため、各セルの振動膜は同じ態様の振動をするので、送信あるいは受信感度を低下させる不要な振動を防止することができる。さらに、第１のセルの振動膜面積は第２のセルの振動膜の面積より小さく、かつ、第１のセルの振動膜厚さは第２のセルの振動膜厚さと同じであるとすることもできる。第１のセルの振動膜厚さと第２のセルの振動膜厚さを同じでなく、どちらかの振動膜をエッチングする、或いは成膜した場合、第１のセルの振動膜のばね定数と第２のセルの振動膜のばね定数との比がばらつきやすい。第１のセルの振動膜のばね定数と第２のセルの振動膜のばね定数との比がばらつく場合、静電容量型トランスデューサの送信或いは受信感度がばらつき、周波数帯域が所望の帯域にならないことがある。従って、振動膜厚さが同じである構成により、送信感度或いは受信感度、周波数帯域のばらつきを小さくできる。

さらに、第１のセルの第１の電極と第２の電極との間に印加する第１の電圧印加手段と、第２のセルの第１の電極と第２の電極との間に印加する第２の電圧印加手段とを有する構成とすることもできる。本構成により、第１のセルに印加する電圧と異なる電圧を第２のセルに印加できるため、さらに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。

図４を用いて、本発明の作製方法の一例を説明する。図４は、静電容量型トランスデューサの断面図であり、図１とほぼ同様の構成である。図４は、図１のＡ−Ｂ断面図である。図４（ａ）に示すように、基板６２上に絶縁膜６３を形成する。基板６２はシリコン基板であり、絶縁膜６３は第１の電極との絶縁を形成するための層である。基板６２がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜６３は形成しなくともよい。また、基板６２は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さが転写されていくとともに、表面粗さによる第１の電極と第２の電極間の距離が、各セル間でばらついてしまう。このばらつきは、電気機械変換係数のばらつきとなるため、感度や帯域ばらつきとなる。従って、基板６３は、表面粗さの小さな基板が望ましい。

さらに、第１の電極６４、７３を形成する。第１の電極６４、７３は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミ等である。基板と同様に、第１の電極の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第１の電極と第２の電極間の距離が、各セル間、各エレメント間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。

次に、絶縁膜６５を形成する。絶縁膜６５は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましい。これは、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加された場合の第１の電極と第２の電極間の電気的短絡或いは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、メンブレンが絶縁体であるため、絶縁膜６５を形成しなくともよい。さらに、本工程の後工程で実施する犠牲層除去時に第１の電極がエッチングされることを防止するために形成する。犠牲層除去時のエッチング液、エッチングガスにより、第１の電極がエッチングされない場合は、絶縁膜６５を形成しなくともよい。基板と同様に、絶縁膜６５の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第１の電極と第２の電極間の距離が、各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜等である。

次に、図４（ｂ）に示すように、犠牲層６９、７７を形成する。犠牲層６９の高さは、犠牲層７７の高さより低くなるように形成している。本構成にすることによって、第１のセルのキャビティ高さを第２のセルのキャビティ高さより低くすることができる。犠牲層６９、７７は、表面粗さが小さい材料が望ましい。基板と同様に、犠牲層の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第１の電極と第２の電極間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチング液或いはエッチングガスに対して、絶縁膜、メンブレンがほぼエッチングされないような犠牲層材料が求められる。犠牲層を除去するエッチング液或いはエッチングガスに対して、絶縁膜、メンブレンがエッチングされる場合、振動膜の厚さばらつき、第１の電極と第２の電極との間の距離ばらつきが発生する。振動膜の厚さばらつき、第１の電極と第２の電極との間の距離ばらつきは、各セル間の感度や帯域ばらつきとなる。絶縁膜、メンブレンが窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜の場合、表面粗さが小さく、絶縁膜、メンブレンがエッチングされにくいエッチング液或いはエッチングガスを用いることができる犠牲層材料が望ましい。例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等である。特に、クロムのエッチング液は、窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜をほぼエッチングしないので、絶縁膜、メンブレンが窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜の場合、望ましい。

次に、図４（ｃ）に示すように、メンブレン６７、７５を形成する。メンブレン６７、７５は、低い引張り応力が望ましい。例えば、３００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、３００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。メンブレンが圧縮応力を有する場合、メンブレンがスティッキング或いは座屈を引き起こし、大きく変形する。また、大きな引張り応力の場合、メンブレンが破壊されることがある。従って、メンブレン６７、７５は、低い引張り応力が望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力にできる窒化シリコン膜である。７０は、振動膜の支持部である。

さらに、図示しないエッチングホールを形成し、エッチングホールを介して、犠牲層６９、７７を除去して、エッチングホールを封止する。例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜で封止することができる。犠牲層除去工程或いは封止工程は、後述の第２の電極を形成後に行うこともできる。すなわち、異なる厚さの犠牲層を形成した工程の後の図４（ｃ）の工程では、犠牲層の上に、複数種のセルの振動膜の少なくとも一部を形成すればよい。

次に、図４（ｄ）に示すように、第２の電極６６、７４を形成する。第２の電極６６、７４は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウムなどである。犠牲層除去工程或いは封止工程を第２の電極の形成後に行う場合、第２の電極は、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性、耐熱性を有する材料が望ましい。例えば、チタンなどである。以上の様にして、メンブレン６７と第２の電極６６を含む振動膜６８を有する第１のセル７２及びメンブレン７５と第２の電極７４を含む振動膜７６を有する第２のセル７９を備える静電容量型トランスデューサが作製される。

本作製方法により、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる静電容量型トランスデューサを作製できる。

以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
以下に、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の静電容量型トランスデューサの上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。

本発明では、第１のセル１２、第２のセル１９を複数有する静電容量型トランスデューサ１を複数有している。図１では、２つの静電容量型トランスデューサのみ記載しているが、トランスデューサ数はいくつでも構わない。また、静電容量型トランスデューサは第１のセル造１２、第２のセル１９それぞれ、２２個、８個から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、セルの配列はどのような配列でも構わない。図１（ａ）に示すように、本実施例の振動膜形状は、円形であるが、形状は四角形、六角形等で構わない。

第１のセル１２は、３００μｍ厚さのシリコン基板２、シリコン基板２上に形成される絶縁膜３、絶縁膜３上に形成される第１の電極４、第１の電極４上の絶縁膜５を有する。さらに、第２の電極６とメンブレン７を含む振動膜８と、振動膜８を支持する支持部１０、キャビティ９とを有している。キャビティ９の高さは１００ｎｍである。また、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１１を有している。

絶縁膜３は、熱酸化により形成した厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。絶縁膜５は、Ｐｒａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した１００ｎｍのシリコン酸化膜である。第１の電極は厚さが５０ｎｍのチタンであり、第２の電極６は厚さが１００ｎｍのアルミニウムである。メンブレン７はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成し、厚みは１４００ｎｍである。

本実施例の静電容量型トランスデューサは、図示しない引き出し配線を用いることで、第２の電極６から電気信号を引き出すことができる。静電容量型トランスデューサで超音波を受信する場合、直流電圧を第１の電極４に印加しておく。超音波を受信すると、第２の電極６を有する振動膜８が変形するため、第２の電極６と第１の電極４との間のキャビティ９の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、上記引き出し配線に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧として超音波を受信することができる。また、第１の電極に直流電圧を印加し、交流電圧を第２の電極に印加し、静電気力によって振動膜８を振動させることができる。これによって、超音波を送信することができる。

第２のセル１９は、第１のセル１２とほぼ同じ構成である。第１のセル１２では、振動膜８の直径が３２μｍである一方、第２のセル１９では、振動膜１６の直径が４４μｍであるため、第１の電極１３と対向する第２の電極１４とメンブレン１５を含む振動膜１６のばね定数がセル１２のばね定数より低い。また、第１のセル１２のキャビティ９の高さは１００ｎｍである一方、第２のセル１９のキャビティ高さ１７は２００ｎｍである。

図１（ｂ）では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜１６の直径を振動膜８より大きくすることにより、ばね定数を小さくしている。第１のセルのばね定数が９２ｋＮ／ｍであり、第２のセルのばね定数が５５ｋＮ／ｍである。ここでのばね定数とは、振動膜にかかる荷重を、そのときの振動膜の平均変位で割った値のことである。従って、ばね定数が高い振動膜を有する第１のセルと、ばね定数が低い振動膜を有する第２のセルを有しているため、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができる。

また、本実施例では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜を形成する工程は、第１のセルと第２のセルとで同じにすることができる。従って、第１のセルの振動膜のばね定数と第２のセルの振動膜のばね定数との比のばらつきを低減することができるため、送信感度或いは受信感度、周波数帯域のばらつきを小さくできる。

本構成では、第２のセル１９の振動膜１６のばね定数が第１のセル１２の振動膜８のばね定数より低い構成となっているが、第２のセル１９のキャビティ１７の高さを第１のセル１２のキャビティ９の高さより高くしている。従って、第２のセル１９のキャビティ高さが第１のセル１２のものと同じ１００ｎｍの場合は前者のプルイン電圧は２００Ｖであり後者のプルイン電圧は１００Ｖであるが、本構成により、第１及び第２のセル１２、１９のプルイン電圧を２００Ｖとできる。

本実施例の静電容量型トランスデューサでは、振動膜のばね定数が高い第１のセルの第１の電極に印加する電圧と、第２の振動膜のばね定数が低い第２のセルの第１の電極に印加する電圧は、１８０Ｖである。つまり、第１のセル１２及び第２のセル１９のプルイン電圧の９０パーセントである電圧を印加している。本構成では、第１のセルと第２のセルのプルイン電圧が同じであり、プルイン電圧に対する印加電圧の比を同じにすることができるので、第１のセルと第２のセルの電気機械変換係数を悪化させることがない。。

従って、本発明の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。

（実施例２）
実施例２の静電容量型トランスデューサの構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本発明の静電容量型トランスデューサの上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。実施例２の静電容量型トランスデューサの構成は、実施例１とほぼ同様である。

本実施例では、振動膜のばね定数が高いセルの振動膜厚さは、振動膜のばね定数が低いセルの振動膜厚さより厚く、かつ、振動膜のばね定数が高いセルの振動膜面積は、振動膜のばね定数が低いセルの振動膜面積と同じである。第１のセル３２の振動膜２８の直径及び第２のセル３９の振動膜３６の直径はともに３２μｍであり、振動膜厚さがそれぞれ１４００ｎｍと１１５０ｎｍである。本構成にすることにより、第１のセルのばね定数が９２ｋＮ／ｍであり、第２のセルのばね定数が５５ｋＮ／ｍとなる。

従って、本実施例の静電容量型トランスデューサでは、ばね定数が高い振動膜を有する第１のセルと、ばね定数が低い振動膜を有する第２のセルとを有しているため、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くできる。また、第１のセル３２の間隙２９の高さ及び第２のセル３９の間隙３７の高さは、同じ２００ｎｍである。さらに、第１のセル３２の第２の電極２７は、振動膜２８のキャビティ側下面から７００ｎｍの位置に形成し、第２のセル３９の第２の電極３４は、振動膜３６のキャビティ側下面から１１５０ｎｍの位置に形成している。

本構成を作製するために、犠牲層エッチング後にキャビティとなる犠牲層形成後、メンブレンとなる窒化シリコンを７００ｎｍ成膜し、第１のセル３２の第２の電極２７を形成する。その後、さらに、窒化シリコンを４５０ｎｍ成膜して、第２のセル３９の第２の電極３４を成膜する。さらに、第１のセル３２の振動膜２８が１４００ｎｍになるように、かつ、第２のセル３９の振動膜３６が１１５０ｎｍになるように、窒化シリコンを成膜、エッチングする。第２のセル３９の振動膜３６の表面に第２の電極３４であるチタンがあるため、第２のセル３９の第２の電極３４がエッチングストップ層となるため、第２のセル３９の振動膜３６の厚みばらつきに起因する、周波数ばらつきを低減することができる。

本構成では、第２の電極３４とメンブレン３５を含む第２のセル３９の振動膜３６のばね定数が、第２の電極２７とメンブレン２６を含む第１のセル３２の振動膜２８のばね定数より低い構成となっている。一方、第１のセル３２の第２の電極２７は、振動膜２８のキャビティ側下面から７００ｎｍの位置に形成し、第２のセル３９の第２の電極３４は、振動膜３６のキャビティ側下面から１１５０ｎｍの位置に形成している。本構成にすることにより、第１のセル１２のプルイン電圧は２００Ｖであり、第２のセル１９のプルイン電圧は２００Ｖとすることができる。なお、図２において、２１は静電容量型トランスデューサ、２２、２３、２４、２５、３０、３３は、夫々、基板、絶縁膜、第１のセル３２の第１の電極、絶縁膜、振動膜支持部、第２のセル３９の第１の電極である。

本実施例の静電容量型トランスデューサでは、振動膜のばね定数が高い第１のセルの第１の電極に印加する電圧と、振動膜のばね定数が低い第２のセルの第１の電極に印加する電圧は、１８０Ｖである。つまり、第１のセル３２と第２のセル３９のプルイン電圧の９０パーセントである電圧を印加している。本構成では、第１のセルと第２のセルのプルイン電圧が同じであり、プルイン電圧に対する印加電圧の比を同じにすることができるので、第１のセルと第２のセルの電気機械変換係数を悪化させることがない。

従って、本実施例の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。さらに、本構成にすることによって、図２（ａ）にように、上面から見た各セルの形状が同じであるため、全てのセルの放射インピーダンスを揃えることができる。

（実施例３）
実施例３の静電容量型トランスデューサの構成を図３を用いて説明する。実施例３の静電容量型トランスデューサの構成は、実施例１とほぼ同様であり、図３は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図の相当図である。図３では、図１の各部と対応する各部を、図１の数字に４０を加えた数字で示している。

本実施例では、第１のセル５２のキャビティ高さと第２のセル５９のキャビティ高さは１００ｎｍである。また、第２のセル５９の絶縁膜６０の厚さが４００ｎｍであり、第１のセル５２に電圧を印加するための電圧印加手段５１と、第２のセル５９に電圧を印加する電圧印加手段５８とを有している。つまり、本実施例では、ばね定数の小さい振動膜５６を有する第２のセル５９における電極間距離を、絶縁膜６０の厚さを厚くすることにより、第１のセル５２における電極間距離より大きくしている。第２のセル５９の絶縁膜６０の厚さが４００ｎｍであるため、第２のセル５９のプルイン電圧は１４０Ｖにすることができる。第１のセル５２のプルイン電圧は２００Ｖであり、第１のセルのプルイン電圧と第２のセルのプルイン電圧との差を少なくすることができる。

また、電圧印加手段５１を用いて、第１のセル５２のプルイン電圧の８０％である１６０Ｖを印加し、電圧印加手段５８を用いて、第２のセル５９のプルイン電圧の８０％である１１２Ｖを印加することができる。プルイン電圧に対する印加電圧の比を同じにして、第１のセルと第２のセルに電圧を印加することができる。

従って、本実施例の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることができるとともに、送信感度或いは受信感度を向上させることができる。以上の様に、たとえ第１及び第２のセル間でプルイン電圧を同じにできなくとも、第１及び第２のセル夫々に対して別個の電圧印加手段を設けることで、各セルに対する印加電圧を調整して各セルにおいてプルイン電圧に対する印加電圧の比を同等にできる。

（実施例４）
上記実施形態や実施例で説明した静電容量型トランスデューサを備える探触子は、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波を静電容量型トランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報を取得することができる。

図５は、光音響効果を利用した本実施例の被検体情報取得装置を示したものである。パルス状に光を発生する光源１５１から発生したパルス光１５２は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材１５４を介して、被検体１５３に照射される。被検体１５３の内部にある光吸収体１５５は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波１５６を発生する。本発明の広帯域特性を有する静電容量型トランスデューサを収納する筺体を備えるプローブ（探触子）１５７は、光音響波１５６を受信して電気信号に変換し、信号処理部１５９に出力する。信号処理部１５９は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部１５０へ出力する。データ処理部１５０は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報）を画像データとして取得する。表示部１５８は、データ処理部１５０から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。勿論、本発明の電気機械変換装置である静電容量型トランスデューサは、音響波があてられた被検体からの音響波を検出する被検体診断装置で用いることもできる。ここでも、被検体からの音響波を静電容量型トランスデューサで検出し、変換された信号を信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得する。ここでは、被検体に向けて送信する音響波を本発明の静電容量型トランスデューサから発信することもできる。

本発明の静電容量型トランスデューサは、生体などの測定対象内の情報を得る光イメージング装置や、従来の超音波診断装置などに適用することができる。更に、超音波探傷機など、他の用途に用いることもできる。

１・・静電容量型トランスデューサ、４、１３・・第１の電極、６、１４・・第２の電極、７、１５・・メンブレン、８、１６・・振動膜、９、１７・・キャビティ（間隙）、１０・・支持部、１１・・電圧印加手段、１２・・第１のセル、１９・・第２のセル

Claims (9)

1. 第１の電極と、間隙を挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極を含む振動膜と、前記間隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   を有する静電容量型トランスデューサであって、
   前記セルとして、第１のばね定数を有する前記振動膜を含む第１のセルと、前記第１のばね定数より小さい第２のばね定数を有する前記振動膜を含む第２のセルと、を有し、
   前記第１のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離が、前記第２のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離より短く、且つ、前記電圧印加手段は前記第１のセルと、前記第２のセルと、に共通の電圧を印加するものであることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 前記第１のセルの振動膜の厚さは、前記第２のセルの振動膜の厚さより厚く、かつ、前記第１のセルの振動膜の面積は、前記第２のセルの振動膜の面積と同じであることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
3. 前記第１のセルの振動膜の面積は、前記第２のセルの振動膜の面積より小さく、かつ、前記第１のセルの振動膜の厚さは、前記第２のセルの振動膜の厚さと同じであることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記第１のセルの第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加するための第１の電圧印加手段と、前記第２のセルの第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加するための第２の電圧印加手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記第１のセルと、前記第２のセルとは、プルイン電圧が略同じになるように構成されていることとを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記共通の電圧は、プルイン電圧未満の電圧であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 前記共通の電圧は、前記プルイン電圧の９０パーセントの電圧を含むことを特徴とする請求項６に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 第１の電極と、間隙を挟んで前記第１の電極と対向する第２の電極を含む振動膜と、前記間隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   を有する静電容量型トランスデューサであって、
   前記セルとして、第１のばね定数を有する前記振動膜を含む第１のセルと、前記第１のばね定数より小さい第２のばね定数を有する前記振動膜を含む第２のセルと、を有し、
   前記第１のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離が、前記第２のセルの第１の電極と第２の電極との間の距離より短く、且つ、前記電圧印加手段は前記第１のセルと、前記第２のセルと、に共通の電圧を印加するものであり、
   前記第１のセルのプルイン電圧と前記第２のセルのプルイン電圧とが略同じになる様に前記第１のセルと前記第２のセルとが構成されていることを特徴とする静電容量型トランス。
9. 請求項１から８の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
   光を発生する光源と、
   前記静電容量型トランスデューサから出力される信号を処理する信号処理部と、
   を有し、
   該光源から発せられて被検体にあてられた前記光によって生じる光音響波を前記静電容量型トランスデューサで受信し、電気信号に変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。

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