JP6306705B2 - 超音波探触子、その性能評価方法及び超音波診断装置 - Google Patents
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Description
本発明は、超音波診断装置に備えられる超音波探触子に関し、特に２次元アレイ状に複数のトランスデューサ素子を配列した超音波探触子の精度を向上する技術に関する。
超音波診断装置の探触子には、超音波を送受波する電気音響交換素子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸亜鉛）等に代表される圧電セラミックスが用いられてきたが、近年、圧電セラミックスよりも広帯域特性を有するＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が注目され、研究開発が進められている（例えば特許文献１）。
ＣＭＵＴは、基板上に形成された下部電極の上に空洞を挟んで上部電極を形成し、この空洞の周囲を絶縁膜で覆った構造を有し、上部電極と下部電極との間に電圧を印加し、電位差を発生させることで、空洞上部のメンブレンに静電力が発生することを利用した振動素子である。超音波の送信は、上下電極に印加する印加電圧を時間的に変化させることで、メンブレンにかかる静電力が変動し、メンブレンを振動させることにより行われ、超音波の受信は、上下電極の間に一定の電圧を印加した状態で、メンブレンの変位を電圧変化または電流変化として検出することにより行われる。
超音波診断装置において、最大送信音圧は、撮像可能な最大深度を決める重要な性能である。ＣＭＵＴの最大送信音圧は、メンブレンの最大変位量すなわち空洞の高さによって決定される。そのため、所望の最大送信音圧を得るためには、空洞高さを確保することが重要であり、空洞高さを精度よく測定しておくことが求められる。また超音波探触子は、通常、多数のトランスデューサ素子を２次元アレイ状に配列したものであり、これらトランスデューサが同じ印加電圧で同じ超音波を発生できることが要求される。
所望の最大送信音圧を得るために、空洞高さを精度よく測定することが求められる。空洞高さの測定方法として、確立されたものはないが、例えば、メンブレンの形状から空洞高さを推定する、静電容量から計算する、などの方法が考えられる。しかし前者の方法では、空洞高さを直接測定しないため精度が不十分である。また後者の方法では、計測した静電容量にＣＭＵＴのセル部以外の寄生容量が含まれている場合に、正確な空洞高さを図ることができない。
本発明は、ＣＭＵＴの空洞高さを高い精度で測定でき、これによって、超音波探触子における最大送信音圧を正確に把握することができる技術を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は、超音波探触子に、超音波を送受信する超音波セルとは別に、寄生容量を推定可能な参照セルを配置する。この参照セルについて測定した静電容量を用いて、超音波セルの静電容量から算出される空洞高さを補正し、空洞高さの測定精度を高める。
即ち、本発明の超音波探触子は、下部電極と、当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有するセルを複数配列してなるトランスデューサを備え、前記複数のセルは、前記間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと、前記間隙が導電材料で充填された参照セルとを含むことを特徴とする。
また本発明の性能評価方法は、下部電極と、当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有するセルを複数配列してなるトランスデューサを備え、前記複数のセルが、前記間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと、前記間隙が導電材料で充填された参照セルとを含む超音波探触子の、前記超音波セルの空洞高さを評価する方法であって、前記超音波セルと前記参照セルの静電容量を測定し、前記超音波セルについて測定された静電容量に含まれる寄生容量を、前記参照セルについて測定された静電容量に含まれる寄生容量を用いて補正し、補正された前記超音波セルの静電容量から空洞高さを算出することを特徴とする。
本発明の超音波診断装置は、上述した超音波探触子を備えるものであり、好適には、参照セルを利用して超音波セルの空洞高さを評価する性能評価部を備える。
本発明によれば、超音波探触子における最大送信音圧を正確に把握することができる。
本実施形態の超音波探触子は、超音波トランスデューサとして、ＣＭＵＴを用いたものである。ＣＭＵＴを構成する複数のセルは、それぞれ、下部電極と、当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有し、間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと、間隙が導電材料で充填された参照セルとを含むことが特徴である。また本実施形態の超音波診断装置は、この特徴を持つ超音波探触子を用いることが特徴である。
本実施形態の超音波探触子は、超音波セルについて測定した静電容量を、参照セルについて測定した静電容量を用いて補正することにより、寄生容量の影響を低減することができ、補正後の静電容量から精度よく超音波セルの高さを求めることができる。本実施形態の超音波診断装置は、上述した超音波探触子を用いることにより、適切な駆動電圧を設定することができ、また超音波探触子を適切に管理できる。
まず図１及び図２を参照して、本実施形態の超音波診断装置の構成を説明する。図１は、超音波診断装置の全体構成を示す斜視図、図２は、超音波診断装置の機能を示すブロック図である。
図１に示すように、超音波診断装置３００は、超音波の送受信を行う超音波送受信回路や超音波送受信回路が受信したエコー信号を処理し、検査対象の超音波画像を生成する信号処理回路などを収納する本体３０５と、本体３０５に接続され、超音波画像や操作者とのインターフェイスを行うためのＧＵＩを表示する表示器３０３と、操作者が操作する操作部３０４と、本体３０５に固定された接続部３０６を介して超音波送受信回路に接続される超音波探触子３０２と、を備えている。超音波探触子３０２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り、多数のトランスデューサ素子を２次元アレイ状に配置した構造を有する超音波トランスデューサ３０７と、音響レンズやバッキング材などを備えている。本実施形態の超音波診断装置では、超音波トランスデューサ３０７はＣＭＵＴである。
なお図１では、一例として、本体３０５の底部に車輪を備えた可動式の超音波診断装置を示しているが、本実施形態は、検査室に固定された超音波診断装置、ノート型やボックス型などの携帯型超音波診断装置、その他、公知の超音波診断装置に適用することができる。
本体３０５には、図２に示すように、上述した超音波送受信回路（超音波送受信部）３１１及び信号処理回路（信号処理部）３１２、制御部３１３、メモリ部３１４、電源装置３１５、補助装置３１６が備えられている。
超音波送受信回路３１１は、超音波探触子３０２から超音波を送波するための駆動電圧を発生させたり、超音波探触子３０２から信号を受信するもので、遅延回路、フィルタ、ゲイン調整回路などを備えている。信号処理回路３１２は、受信したエコー信号に対し、ＬＯＧ圧縮、深度補正等の補正や画像作成等に必要な処理を行うもので、ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）、カラードプラ回路、ＦＦＴ解析部などを含んでいてもよい。信号処理回路３１２による信号処理は、アナログ信号処理及びデジタル信号処理のいずれも可能であり、一部はソフトウェアで実現でき、またＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）で実現することも可能である。
制御部３１３は、本体３０５の各回路や本体３０５に接続された機器の制御を行う。メモリ部３１４には、信号処理や制御に必要な情報やパラメータ及び処理結果が記憶される。電源装置３１５は、超音波診断装置の各部に、必要な電力を供給する。補助装置３１６は、上述した各部のほかに、超音波診断装置に付随する機能、例えば音声発生などを実現するためのもので、必要に応じて適宜追加される。
本実施形態の超音波診断装置３００には、上述した機能のほか、超音波探触子３０２の性能評価機能（性能評価部３１７）を備えることができる。超音波探触子３０２の性能評価機能については、後述する。
本実施形態の超音波診断装置は、超音波探触子の超音波トランスデューサとして、超音波の送受信を行う超音波セルのほかに、参照セルを備えたＣＭＵＴを採用したことが特徴である。セルの配列や給電方式については種々の形態を取りえる。以下、超音波探触子の各実施形態について説明する。
＜第一実施形態＞
第一実施形態の超音波探触子は、２次元アレイ状に配列した超音波セルの端部に参照セルを配置したものであり、超音波セルと参照セルとは下部電極を共通としている。以下、本実施形態の超音波探触子の構造を、図面を参照して詳述する。
第一実施形態の超音波探触子は、２次元アレイ状に配列した超音波セルの端部に参照セルを配置したものであり、超音波セルと参照セルとは下部電極を共通としている。以下、本実施形態の超音波探触子の構造を、図面を参照して詳述する。
図３は、本実施形態の超音波探触子のアレイ全体を示す図、図４は、その一部（図３で点線で囲った部分）を示す図である。図３に示すように、アレイは、行方向（図中、横方向）及び列方向（図中、縦方向）にそれぞれ複数のＣＭＵＴ素子１２０を配置した構造を持ち、個々のＣＭＵＴ素子１２０は、複数の超音波セル１２１で構成されている。行方向に並んだＣＭＵＴ素子１２０は、行毎に共通の下部電極（下部電極パッド１１５）に接続され、列方向に並んだＣＭＵＴ素子１２０は、列毎に共通の上部電極（上部電極パッド１１４）に接続されている。下部電極１０３及び上部電極１１０は、図４に示すように、それぞれ、電極パッド１１５、１１４を介して、図示しない駆動回路に接続されている。駆動回路によって、各行の電極（下部電極）と各列の電極（上部電極）を選択的に駆動することにより、各ＣＭＵＴ素子１２０を選択的に駆動することができる。なお図４では、セルにおける下部電極１０３と上部電極１１０との関係をわかりやすくするため、基板１０１（図３）やその他の要素は図示を省略している。
アレイの行方向の両側には、超音波セル１２１と構成する膜（下部電極、絶縁膜等）を共通とし、超音波セル１２１と同じ形状の複数の参照セル１２２が、ＣＭＵＴ素子１２０内の超音波セル１２１と同じ配列で配置されている。複数の参照セル１２２は、それぞれ行方向に隣接する超音波セル１２１と共通の下部電極１０３に接続されるとともに、参照セルどうしが共通の上部電極１１０に接続されている。
超音波セル１２１のうち、参照セル１２２に隣接する超音波セル１２１は、他の超音波セル１２１と構造は全く同じであるが、超音波の送受信には使用しないダミーセル１２３とすることが好ましい。図４に示すように、参照セル１２２を超音波セル１２１に隣接して配置した場合、全ての超音波セル１２１に同様の電圧を印加したとしても、参照セル１２２に隣接した超音波セル１２１が送信する音圧は、参照セル１２２に隣接していない超音波セル１２１の音圧と異なる場合がある。これは、参照セル１２２に隣接した超音波セル１２１の剛性と参照セル１２２に隣接していない超音波セル１２１の剛性が異なり、両者のメンブレンの変位量に差が生じることに起因する。このように参照セル１２２に隣接する超音波セル１２１をダミーセルとすることにより、超音波トランスデューサ内の全ての超音波セル１２１のメンブレンの変位量が揃い、送信音圧を均一にすることができる。超音波探触子を駆動して超音波セル１２１から超音波を送信する際に、ダミーセル１２３については、交流（ＡＣ）電圧は印加せず、直流（ＤＣ）電圧のみ印加する。もしくは、ダミーセル１２３にはＡＣ電圧とＤＣ電圧のどちらも印加しない。
なお図４では、参照セル１２２が超音波セル１２１のアレイと等しいピッチ（列と列の間隔）Ｐ１＝Ｐ２で配置された場合を示しているが、参照セルに隣接する超音波セルをダミーセルとする場合には、ダミーセル１２３と参照セル１２２とのピッチＰ２は、必ずしも超音波セル間のピッチＰ１と等しいピッチにしなくてもよい。例えば、Ｐ２はＰ１よりも小さくてもよい。
また図３では、参照セル１２２は、超音波探触子の送受信機能を考慮してアレイの行方向の両側に配置されている場合を示しているが、参照セル１２２の位置は、必ずしも行方向の両側でなくてもよい。また後述する参照セル１２２の機能の面で、両側に配置することが好ましいが、片側のみでもよい。
さらに、図４では、すべてのセル（超音波セルと参照セルとを総括してセルと言う）において下部電極１０３が共通する場合を示しているが、下部電極１０３は物理的には分割されていてもよい。分割された下部電極１０３を同電位とすれば図４に示す構成と等価の回路となる。また図４では、上面から見たセル（空洞及び上部電極）の形状が四角形である場合を示しているが、形状は四角形に限定されず、六角形等の多角形や円形などを取りえる。ただし、上から見て下部電極と上部電極が重なる部分の面積はすべてのセルで等しいことが重要である。
次にセルの構造について、図５〜図７を参照して説明する。図５は、図４のＡ−Ａ’ 線断面図であり、行方向に並んだ超音波セルと参照セルを示している。図６は、図４のＢ−Ｂ’線断面図であり、列方向に並んだ複数の超音波セルを示し、図７は、図４のＣ−Ｃ’断面図であり、列方向に並んだ複数の参照セルを示している。なおこれら図において同じ要素は、同じ符号で示し、重複する説明は省略する。
超音波セル１２１は、超音波の送受信に使用するセルであり、図６に示すように、基板１０１の上に絶縁膜１０２を介して形成された下部電極１０３と、その上に位置する上部電極１１０で挟まれた部分に、空洞１０７が配置された構造を有し、空洞１０７は下部電極１０３と上部電極１１０とを絶縁するために、絶縁膜１０４、１０５で囲まれている。上部電極１１０の上には、さらに絶縁膜１１１が形成されている。下部電極１０３と上部電極１１０との間に電圧を印加し、電圧差を発生させ、その印加電圧を時間的に変化させることで、空洞１０７の上部に位置する絶縁膜１０５、上部電極１１０及び絶縁膜１１１からなるメンブレン１１８を振動させる。図６に示す２つの超音波セル１２１は、下部電極１０３及び上部電極１１０が共通であり、同時に超音波を発生する。
参照セル１２２は、図７に示すように、図６に示す超音波セル１２１の空洞１０７が金属１０６に置き換わった以外は、超音波セル１２１と同じ構造を有し、列方向の配列（レイアウト）も同じである。すなわち、参照セル１２２と超音波セル１２１は、図５に示すように、基板１０１を共通とし、同じ絶縁膜１０２等及び下部電極１０３を共有して形成されたものである。これにより、参照セル１２２と超音波セル１２１とに生成する寄生容量をほぼ等しくすることができ、参照セル１２２を利用して超音波セル１２１に生成する寄生容量の補正（後述）が可能となる。
次に上記構造のＣＭＵＴの製造方法の実施形態を説明する。図８に製造手順の一例を示す。
まず図８（ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０２、下部電極１０３及び絶縁膜１０４を順次形成する。基板１０１としては、シリコン単結晶などの半導体基板が用いられる。絶縁膜１０２、１０４は、具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などから選ばれる１種または２種以上の材料からなる単層または積層膜とすることができる。また絶縁膜１０２、１０４は、同じ材料でもよいし異なっていてもよいが、絶縁膜１０２は、基板材料及び上に形成される下部電極の材料と接着性のよい材料が選択され、絶縁膜１０４は高電界が発生する部分であるため耐電圧性の高い材料、例えばＳｉＯ２が好ましい。絶縁膜１０２の上に形成される下部電極１０３としては、タングステン、アルニミウム、チタン、クロム、銅などの金属あるいは金属的な導電性を示す材料が用いられる。下部電極１０３は、これら材料の単層または積層した膜で構成することができる。
上述した絶縁膜１０２、下部電極１０３（導電膜）及び絶縁膜１０４は、それぞれ、プラズマＣＶＤ法、蒸着法など公知の成膜技術により形成することができる。
次に、絶縁膜１０６の上に、スパッタリング等により金属膜１０６を形成する。金属膜１０６の材料としては、金属または金属的な導電性を示す材料を用いることができ、特に後のエッチング工程においてエッチャントによる除去しやすさやエッチング選択性を考慮し、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が好適である。金属膜１０６は、超音波セルについては、空洞１０７を形成するためだけに設けられる層であり、犠牲層とも呼ばれる。犠牲層の厚みは空洞１０７の高さを決定するものであり、均一性の高い膜厚となるように形成される。膜厚は、例えば、０．１μｍ〜１．０μｍである。
金属膜１０６を、図８（ｂ）に示すように、例えばリソグラフィ法やドライエッチング法を用いてパターニングする。図４に示す例では、金属膜１０６のパターンは、四角形が所定のピッチで２次元方向に配列したパターンとなる。
続いて、図８（ｃ）に示すように、金属膜１０６を覆うように絶縁膜１０５を堆積させた後、上部電極１１０を形成する。絶縁膜１０５を構成する材料は、上述した絶縁膜１０４等に用いられる材料と同様の材料を用いることができ、絶縁膜１０４と同様に耐電圧性が高い材料が好ましい。上部電極１１０についても下部電極１０３と同様の材料を用いることができる。上部電極１１０も金属膜１０６と同様に、絶縁膜１０５の上面全面に形成した後、リソグラフィ法やドライエッチング法を用いてパターニングする。上部電極１１０のパターンは、図４に示すように、金属膜１０６と同様の配置とする。図４では、上部電極１１０のパターンは、上から見たときに金属膜１０６の面積内であるように描かれているが、金属膜１０６の面積外を含んでも良い。この際、上部電極１１０と下部電極１０３との重なり面積が、すべてのセルで等しくなるようにする。
その後、図８（ｄ）に示すように、上部電極１１０を覆うように絶縁膜１０９を堆積した後、空洞形成孔１０８を形成する。空洞形成孔１０８は、犠牲層である金属膜１０６を除去するためのエッチャントを導入するための孔であり、上部電極１１０の外周に沿った複数個所に絶縁膜１０５、１０９を貫通し、金属膜１０６に達するように設けられる。ここで空洞形成孔１０８が形成されるのは、超音波セル１２１となるセルのみであり、参照セル１２２となるセルについては、空洞形成孔１０８は形成されない。図８（ｄ）に示す例では、左側が超音波セルとなり、右側が参照セルとなる。
空洞形成孔１０８からエッチャントを導入して、図８（ｅ）に示すように、金属膜１０６を溶解し、空洞１０７を形成する。エッチャントとしては、空洞１０７を取り巻く絶縁膜を溶解することなく、金属膜１０６の材料、例えばタングステンを選択的に溶解するもの、例えば硫酸及び過酸化水素水からなる硫酸過水などを用いることができる。エッチングにより空洞１０７を形成後、全面を覆うように絶縁膜１１１を堆積し、図８（ｆ）に示すように、空洞形成孔１０８を封止する。絶縁膜１０９及び絶縁膜１１１は、上部電極１１０とともにメンブレンを構成し、超音波送受信時に変位する。その際、変位前のメンブレン形状は平坦であることが好ましい。そのため、絶縁膜１０９及び絶縁膜１１１には、引っ張り応力を有する材料、例えばＳｉＮと、圧縮応力を有する材料、例えばＳｉＯ２などを用いて、複数層積層し、平坦性を確保することが好ましい。
以上のような製造方法により、空洞１０７が形成されたセル即ち超音波セル１２１と、空洞１０７が形成されず金属膜１０６が溶解されずに残ったセル即ち参照セル１２２が、同一基板上に形成されたＣＭＵＴが製造される。
本実施形態のＣＭＵＴを製造するに際しては、超音波セル１２１を構成する各膜と参照セル１２２を構成する各膜が共通し且つ同じステップで形成されていることが重要であり、各膜（層）を構成する材料や成膜方法は、最終的な製品の性能を妨げないものであれば、例示したものに限らず適宜公知の材料や方法をこれらに代えて採用することができる。
このように製造されたＣＭＵＴでは、理論的には空洞１０７の高さは犠牲層である金属膜１０６で決定される均一な高さとなる。従って、ＣＭＵＴの最大送信音圧を決定する空洞１０７の高さは、理論的には、金属膜１０６の厚みで決まるが、実際には、セルを構成する各膜の成膜技術の精度、製造時や使用時の温度変化や経時的な変化などにより、必ずしも一定ではなく空洞１０７高さを正確に評価する必要が生じる。
本実施形態の超音波探触子は、超音波トランスデューサとして、超音波セルと同じ構造で且つ構成する膜を共通とする参照セルを同一基板上に備えたＣＭＵＴを用いることにより、参照セル１２２を利用して、精度よく超音波セルの性能を評価することができる。特に、参照セルの静電容量を利用して寄生容量の影響を排除し、空洞の高さの測定精度を高めることができる。性能の評価の例として、そのほか、受信感度や超音波セルの寿命の予測などが挙げられる。
以下、参照セル１２２を利用した、超音波セル１２１の性能評価の一例として、超音波セル１２１の空隙１０７の高さの算出方法を説明する。
ＣＭＵＴを超音波探触子として駆動する場合、その最大送信音圧を測定することは最適な駆動電圧を決定する上で、またＣＭＵＴの寿命を予測する上で重要である。最大送信音圧は超音波セル１２１の空洞１０７の高さに依存するため、空洞１０７の高さがわかれば最大送信音圧を算出でき、空洞１０７の高さを精度よく測定することが必要となる。本実施形態では、空洞の高さを測定した超音波セルの静電容量から算出する。ここで測定されるセルの静電容量には、本来の静電容量のほかに寄生容量も含まれるため、超音波セルの静電容量から算出した空洞の高さには、この寄生容量に起因する誤差が含まれる。そこでこの算出方法では、参照セルの静電容量を測定し、この寄生容量に起因する誤差を低減する。以下、参照セルの静電容量を用いた超音波セルの空洞の高さの算出方法について説明する。
図５に示す、行方向に隣接する超音波セル１２１と参照セル１２２とを対比して説明する。超音波セル１２１では、上部電極１１０と下部電極１０３が、絶縁膜１０５と絶縁膜１０４及び空洞１０７を介して対向し、静電容量を形成している。一方、参照セル１２２では、上部電極１１０と下部電極１０３が、絶縁膜１０５と絶縁膜１０４及び金属膜１０６を介して対向し、静電容量を形成している。
超音波セル１２１の静電容量Ｃは、式（１）で表すことができる。
ここで、ε０は真空の誘電率、Ｓは上部電極１１０と下部電極１０３の上面から見た際における重なり面積、ｄ１は、上部電極１１０と下部電極１０３の間の絶縁膜１０５と絶縁膜１０４の合計膜厚を比誘電率の逆数倍した距離、ｄ２は空洞１０７の高さ、Ｃｐは超音波セル１２１以外の領域で上部電極１１０と下部電極１０３が形成する寄生容量である。
ε０は定数であり、面積Ｓは図４に示すように、すべてのセルで共通の下部電極１０３を全面に設けたＣＭＵＴでは、上部電極１１０の面積と同じであり、設計値である。またｄ１は、式（２）で表され、上部電極１１０と下部電極１０３の間の絶縁膜１０５と絶縁膜１０４の合計膜厚（ｄ１０５＋ｄ１０４）は設計値であり、絶縁膜の比誘電率εは絶縁膜の材料によって決まる定数であるので、式（２）で算出できる。
従って、式（１）において、寄生容量Ｃｐが求まれば、計測した静電容量Ｃを用いて、空洞１０７の高さｄ２が求まる。Ｃｐは、原理的には計算可能であるが、実際には誤差が発生し、精度良く空洞高さを求めることが難しい。そこで、寄生容量Ｃｐを参照セル１２２の静電容量から求める。参照セル１２２の静電容量Ｃrefは、式（３）で表すことができる。
ここで、Ｃp-refは、参照セル１２２以外の領域で上部電極１１０と下部電極１０３が形成する寄生容量である。
式（１）のＣｐと式（３）のＣp-refが等しい場合、超音波セル１２１の静電容量Ｃと参照セル１２２の静電容量Ｃrefを計測し、それらの差から空洞高さｄ２を式（４）のように求めることができる。
以上のように、超音波セル１２１の寄生容量Ｃｐと参照セル１２２の寄生容量Ｃp-refを等しくすれば、式（４）により、超音波セル１２１の静電容量Ｃと参照セル１２２の静電容量Ｃrefの計測結果から、精度良く空洞高さを評価可能である。
超音波セル１２１の寄生容量Ｃｐ及び参照セル１２２の寄生容量Ｃp-refは、主にセル以外の領域に存在する導体に起因し、それぞれ、次式（５）、（６）で表される。
ここで、Ｓｐは超音波セル１２１の静電容量のうち、寄生容量となる超音波セル１２１以外の領域における上面から見た際の上部電極１１０と下部電極１０３の重なり面積、ｄ３はＳｐとなる領域の上部電極１１０と下部電極１０３の間の絶縁膜の膜厚を比誘電率の逆数倍した距離である。同様にＳp-refは参照セル１２２の静電容量のうち、寄生容量となる参照セル１２２以外の領域における上面から見た際の上部電極１１０と下部電極１０３の重なり面積、ｄ3-refはＳp-refとなる領域の上部電極１１０と下部電極１０３の間の絶縁膜の膜厚を比誘電率の逆数倍した距離である。図６にセル以外の領域において上部電極と下部電極とが重なる領域Ａと、ｄ３との関係を示す。
式（５）及び（６）より、寄生容量ＣｐとＣp-refを等しくするためには、超音波セル１２１のＳｐ及びｄ３と、参照セル１２２のＳp-refとｄ3-refとを等しくすれば良いことがわかる。
図４に示す超音波セル１２１と参照セル１２２は、同一のレイアウトで配置されているので、同じ行に属する超音波セル１２１と参照セル１２２を対比した場合、セル以外の領域において上部電極と下部電極とが重なる領域Ａの面積をほぼ同じにすることができ、両者の面積の差を低減できる。なお寄生容量の差を低減するためには、領域Ａの面積が同じであることが重要なので、例えばレイアウトや配列ピッチ、形状などが異なっていても、領域Ａの面積を同じできる構成であれば、図４に示す実施形態と同様に、寄生容量の差を低減できる。
また図６に示すように、超音波セル１２１の上部電極１１０と下部電極１０３の間は、絶縁膜１０５、絶縁膜１０４と空洞１０７で構成されている。一方、参照セル１２２の上部電極１１０と下部電極１０３の間は、絶縁膜１０５、絶縁膜１０４と金属膜１０６で構成されており、超音波セル１２１の空洞１０７と参照セル１２２の金属膜１０６以外の構造を共通としている。これにより、超音波セル１２１と参照セル１２２の寄生容量を形成する領域Ａの電極間距離（ｄ３、ｄ3-ref）の差を低減することができる。
さらに寄生容量を形成する領域Ａにおける電極間距離の差を低減させるために、超音波セル１２１と参照セル１２２を可能な限り近くに配置することも有効である。その理由は、超音波セル１２１と参照セル１２２の上部電極１１０と下部電極１０３の間の絶縁膜１０５や絶縁膜１０４の膜厚差は、成膜装置の性質上、両者の距離が近いほど小さいからである。図４に示す実施形態では、超音波の送受信特性上の観点から、参照セル１２２を超音波セル１２１のアレイ構造の外側に配置しているので、参照セル１２２に近いほど精度よく空洞高さを算出できる。従って、超音波セル１２１の空洞高さを高精度に評価する観点からは、図４に示す参照セルの配置に限らず、超音波トランスデューサ上のどこに配置されていてもよく、参照セルを行方向の複数位置に分散するなどの配置も取りえる。ただし、参照セル１２２を超音波セル１２１から離れて配置した場合においても一定の効果を得ることができるのは言うまでもない。
上述した超音波セルの空洞高さの算出は、ＣＭＵＴの製造時に個々のＣＭＵＴを基板（ウエハ）から分割する前、分割後、ＣＭＵＴを超音波探触子へ実装する前、実装後、など種々の時点で行うことが可能である。また超音波探触子として使用した後でも、その後の品質管理の一環として行うことが可能である。ウエハレベルで空洞高さが所望の高さとなるＣＭＵＴチップが得られたとしても、実装工程での熱歪みや機械歪みなどにより空洞高さは変動することがあるので、超音波探触子への実装後に、空洞高さを精度よく評価することは、超音波探触子の性能を維持する上で重要である。空洞高さを精度よく評価することで、所望の最大送信音圧を得ることができるかを確認したり、ＣＭＵＴの寿命を予測したりすることができる。
図９に、超音波探触子に実装後の空洞高さの評価手順を示す。ＣＭＵＴを構成する個々の超音波セルについて、順次、その超音波セルに対応する位置（例えば行が同じで最も近い位置）の参照セルについて計測した静電容量Ｃp-refを用いて、上述した式（４）により空洞高さを算出する（Ｓ９０１）。この計算をすべての超音波セルについて行い（Ｓ９０２）、算出したすべての超音波セルの空洞高さのうち、最小値を求める（Ｓ９０３）。もっとも空洞高さが小さいセルでは、そのセルの電極間の絶縁膜が最も電界強度が高くなり、絶縁破壊を生じやすくなり最も寿命が短い。そこで求めた最小値が、例えば予め設定した閾値以下になった場合には、ＣＭＵＴの交換を指示する（Ｓ９０４、Ｓ９０５）。空隙高さの最小値が閾値よりも高い場合には、その最小値を基準として、所望の最大送信音圧が得られる条件を設定し（Ｓ９０６）、超音波探触子を駆動する（Ｓ９０７）。
なおＣＭＵＴの交換は、各超音波セルについて算出した空洞高さの分散を評価するなど、空洞高さから導かれる別の要件あるいは付加的な要件を用いて行ってもよい。これにより超音波セル毎の音圧の均一性を担保することができる。
なお図９では、空洞高さの測定に連続して超音波探触子を駆動する場合の手順を示しているが、空洞高さの測定は、超音波探触子の駆動すなわち超音波検査と別個の手続きとして行うことも可能である。また空洞高さの測定は、図２に示したように、超音波探触子の性能評価を行う機能（性能評価部３１７）を備えた超音波診断装置で行ってもよいし、専用の測定装置で行うことも可能である。前者の場合、超音波診断装置の性能評価部３１７は、例えば表示部３０３に表示されたＧＵＩ（操作部３０４）を介して、超音波探触子の性能評価の指示が入力されると、超音波探触子を構成する超音波トランスデューサの各超音波セル及び各参照セルの静電容量を計測し、計測した値をメモリ部に格納する。次いで、図９に示すフローに従い、各超音波セルの空洞高さを算出し、最後に評価結果を表示部３０３に表示する。評価結果の表示は、操作者が所望する最大送信音圧で問題がない旨の表示や、交換すべき旨の表示や、交換時期が近付いている旨の表示など種々の表示があり得る。さらに個々の空洞高さやその最小値などを表示させることも可能である。
以上、下部電極を共通とする各超音波セル及び各参照セルを備えたＣＭＵＴを採用した超音波探触子（例えば、図４）について、その構造とそれを用いた超音波セル評価方法を説明したが、ＣＭＵＴの構造はこれに限定されず、変更が可能である。以下、構造を変更した実施形態を説明する。なお以下の実施形態において、第一実施形態と同じ要素は同じ符号で示し、重複する説明は省略する。
＜第二実施形態＞
本実施形態の超音波探触子は、超音波セルおよび参照セルにおいて、それぞれのセルの上部電極と下部電極とが独立したアレイ構造（２Ｄアレイ）を有することが特徴である。本実施形態では、第一実施形態とはアレイ構造が異なるものの、超音波トランスデューサに参照セルを配置することは第一実施形態の超音波探触子と同様であり、また、超音波セルの静電容量と参照セルの静電容量を計測した結果を用いることで、空洞の高さを精度良く評価できるという同様の効果を得ることができる。
本実施形態の超音波探触子は、超音波セルおよび参照セルにおいて、それぞれのセルの上部電極と下部電極とが独立したアレイ構造（２Ｄアレイ）を有することが特徴である。本実施形態では、第一実施形態とはアレイ構造が異なるものの、超音波トランスデューサに参照セルを配置することは第一実施形態の超音波探触子と同様であり、また、超音波セルの静電容量と参照セルの静電容量を計測した結果を用いることで、空洞の高さを精度良く評価できるという同様の効果を得ることができる。
本実施形態に係る超音波探触子の一例を、図１０〜図１３を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る超音波探触子に含まれる超音波トランスデューサの一部の上面図であり、図１１〜図１３は、それぞれ、図１０のＡ−Ａ’線断面図、Ｂ−Ｂ’線断面図、Ｃ−Ｃ’線断面図である。なお超音波探触子のアレイ全体は、図２に示す全体図と同様であり図示を省略する。
図１０に示すように、本実施形態でも、超音波探触子アレイは、超音波セル２２１が行方向及び列方向に配列した構造を有し、超音波セルの行方向の配列の外側に参照セル２２２が配置されている。図中、上部電極２１０と下部電極２０３が上面から見て重なった領域に、空洞２０７が配置されたセルが超音波セル２２１、金属膜２０６が配置されたセルが参照セル２２２である。超音波セル２２１は、超音波の送受信に使用するセルであり、参照セル２２２は、超音波セル２２１の空洞高さを精度よく評価するために寄生容量を計測するためのセルである。参照セル２２２に隣接する超音波セルについては、駆動の際に超音波の送受波に用いないダミーセルとしてもよい。
超音波セル２２１と参照セル２２２は、空洞２０７と金属膜２０６が異なる以外は同じ構造を有し、基板２０１、絶縁膜２０２、２０４、２０５、２０９、２１１は、各セルで共通である。また参照セル２２２のレイアウトは、超音波セル２２１のレイアウトと同じであり、同じピッチで形成されている。
本実施形態の超音波探触子は、各セルの上部電極２１０および下部電極２０３の両方が独立しており、これら電極に給電するために、上部電極用貫通電極２１６と下部電極用貫通電極２１７が配置されている。このことを図１１〜図１３を参照して説明する。
図１１に示す断面を、図５の断面（第一実施形態）と対比すると、超音波セル２２１と参照セル２２２の下部電極２０３が独立となっており、それぞれが下部電極用貫通電極２１７により、基板２０１の下側まで引き出されている。２Ｄアレイでは、それぞれの超音波セル２２１および参照セル２２２の上部電極２１０および下部電極２０３と超音波トランスデューサ外部の回路と接続するために、超音波トランスデューサ内の電極の数が膨大になる。そのため、基板２０１の上側のみに、上部電極２１０および下部電極２０３を形成することは、レイアウト設計上、困難である。図１１に示す例では、下部電極用貫通電極２１７により、基板２０１の下側に下部電極２０３を引き出し、この問題を解決している。
また図１２及び図１３に示すように、超音波セル１２１、参照セル１２２の各上部電極２１０は、上部電極用貫通電極２１６により、基板２０１の下側まで引き出されている。
本実施形態の超音波探触子は、下部電極２０３を成膜後、パターニングすること、及び上部電極用貫通電極２１６及び下部電極用貫通電極２１７を形成すること以外は、第一実施形態の超音波探触子とほぼ同様の方法で製造することができる。このように製造される超音波セルと参照セルは、同じ構造を持ち（上部電極と下部電極の重なり面積が等しく）、共通の膜で形成されているので、その寄生容量をほぼ等しいものとすることができ、超音波セルの性能の評価、特に空洞高さの測定を、参照セルを利用して精度よく求めることができる。
参照セルの静電容量（測定値）を用いて、超音波セルの空洞高さを算出する方法は、第一実施形態と同様であるので、説明を省略する。
以上、超音波探触子の構造が異なる実施形態をとして、個々のセルが、それぞれ独立した上部電極と独立した下部電極を備える構成を示したが、その他のアレイ構造についても同様に本発明を適用できる。例えば図１４に示すように、複数の超音波セルに対して、１つの共通な上部電極と１つ共通な下部電極を有するアレイ構造についても、複数の超音波セルからなる素子２３１と同構造の複数の参照セルからなる素子２３２を配置し、この参照セルの静電容量を測定することにより、上述した実施形態と同様に超音波セルの評価を行うことができる。
＜第三実施形態＞
本実施形態は、超音波トランスデューサと同じ基板上に、超音波トランスデューサとは別に配置された参照セルを利用して、超音波セルの空洞高さを測定することを特徴とする。すなわち、前述の各実施形態では、超音波トランスデューサ内に参照セルを配置した超音波探触子を用いることが特徴であったが、本実施形態では、最終的に超音波探触子に組み込まれる超音波トランスデューサに参照セルは配置されていない。その代り、ＣＭＵＴの製造過程で基板上に参照セルを作りこみ、この参照セルを利用して、同一基板上に形成された複数のＣＭＵＴ素子（図３：１２０）を構成する超音波セルの性能を評価することが特徴である。
本実施形態は、超音波トランスデューサと同じ基板上に、超音波トランスデューサとは別に配置された参照セルを利用して、超音波セルの空洞高さを測定することを特徴とする。すなわち、前述の各実施形態では、超音波トランスデューサ内に参照セルを配置した超音波探触子を用いることが特徴であったが、本実施形態では、最終的に超音波探触子に組み込まれる超音波トランスデューサに参照セルは配置されていない。その代り、ＣＭＵＴの製造過程で基板上に参照セルを作りこみ、この参照セルを利用して、同一基板上に形成された複数のＣＭＵＴ素子（図３：１２０）を構成する超音波セルの性能を評価することが特徴である。
図１５に、基板１０１上に複数の超音波トランスデューサ３０７が製造された状態を示す。ここでは簡略化して４つの超音波トランスデューサのみを示す。個々の超音波トランスデューサ３０７の構造は、例えば図３に示すトランスデューサと同様の構造であるが、すべてのセルが超音波セルであり、超音波セルの空洞が金属で置き換わった参照セルは含まれていない。その代り、基板１０１の上には、超音波トランスデューサ３０７とは別に、複数の参照セルからなるアレイ（参照セルアレイ）３２０が形成されている。限定されるものではないが、参照セルアレイ３２０は超音波トランスデューサを構成する超音波セルのアレイと同じ配列で同じ構造を有している。ただし超音波セルは、上部電極と下部電極との間に空洞が形成されているのに対し、参照セルでは、空洞に対応する部分は金属膜に置き換わっている。
超音波セルにおいて、行方向に並ぶセルは下部電極を共通とし、列方向に並ぶセルは上部電極を共通としている。参照セルアレイのセルは下部電極を共通とし、それぞれ独立した上部電極を備えている。
このような構成において、例えば、図８に示すような製造方法で、基板上に複数の超音波トランスデューサ及び参照セルアレイを製造した後に、各超音波トランスデューサを分割する前の製品検査として、各超音波トランスデューサを構成する超音波セルの空洞高さを評価する。評価方法は、第一実施形態で説明した方法と同様であり、まず対象となる超音波セルと、それと対応する位置の参照セルの静電容量を測定する。これら超音波セルの静電容量と参照セルの静電容量を用いて、式（４）により超音波セルの空洞高さを算出する。算出した空洞高さが所定の閾値を満たすか否かにより、良品／不良品を判断する。この製品検査は、一つの超音波トランスデューサを構成するすべての超音波セルについて行ってもよいし、一部の超音波セルを選択して行ってもよい。
本実施形態によれば、一つの超音波トランスデューサ内に参照セルを作りこまなくても、トランスデューサ内の超音波セルと同一構造であって構成する膜を共通とする参照セルを利用することができ、超音波探触子に実装する前の製品検査を行うことができる。
本発明は、ＣＭＵＴを用いた種々のタイプの超音波探触子に適用でき、超音波探触子の送受信の精度を高めることができる。
１００・・・ＣＭＵＴ（超音波トランスデューサ）、１０１、２１０・・・基板、１０３、２０３・・・下部電極、１０６、２０６・・・金属膜、１０７、２０７・・・空洞、１１０、２１０・・・上部電極、１２０・・・ＣＭＵＴ素子、１２１、２２１・・・超音波セル、１２２、２２２・・・参照セル、１２３・・・ダミーセル、３００・・・超音波診断装置、３０２・・・超音波探触子、３０３・・・表示部、３０４・・・操作部、３０５・・・本体部、３０６・・・プローブ接続部、３０７・・・超音波トランスデューサ、３１１・・・超音波送受信部、３１２・・・信号処理部、３１３・・・制御部、３１４・・・メモリ部、３１５・・・電源装置、３１６・・・補助装置、３１７・・・性能評価部。
Claims (11)
- 下部電極と、当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有するセルを複数配列してなるトランスデューサを備え、
前記トランスデューサの複数のセルは、前記間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと、前記間隙が導電材料で充填された参照セルとを含む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であって、前記参照セルの前記導電材料が金属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であって、
前記超音波セル及び前記参照セルは、前記上部電極側から見た前記上部電極と前記下部電極との重なり面積が等しい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であって、
前記超音波セル及び前記参照セルは、前記上部電極及び前記下部電極の平面レイアウトが同一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であって、
前記トランスデューサは、前記複数のセルを２次元方向に配列したアレイ構造を有し、
前記参照セルは、前記アレイ構造の端部に配置されていることを特徴とする超音波探触子。 - 請求項５に記載の超音波探触子であって、
前記参照セルに隣接する超音波セルは、超音波探触子の駆動の際に非駆動となるダミーセル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であって、
前記超音波セル及び前記参照セルは前記下部電極を共通とす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であって、
前記複数のセルの上部電極及び下部電極は、それぞれ、他のセルの上部電極及び下部電極から独立していることを特徴とする超音波探触子。 - 下部電極と当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有するセルを複数配列してなるトランスデューサを備え、前記複数のセルが、前記間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと前記間隙が導電材料で充填された参照セルとを含む超音波探触子の、前記超音波セルの空洞高さを評価する方法であって、
前記超音波セルと前記参照セルの静電容量を測定し、前記超音波セルについて測定された静電容量に含まれる寄生容量を、前記参照セルについて測定された静電容量に含まれる寄生容量を用いて補正し、補正された前記超音波セルの静電容量から空洞高さを算出することを特徴とする超音波探触子の性能評価方法。 - 超音波探触子と、前記超音波探触子に駆動電圧を供給する超音波送受信部と、前記超音波送受信部が受信した超音波信号を用いて超音波画像を生成する画像生成部と、前記超音波送受信部を制御する制御部とを備え、
前記超音波探触子は、下部電極と当該下部電極に対し間隙を持って配置された上部電極とを有するセルを複数配列してなるトランスデューサを備え、前記複数のセルは、前記間隙が空洞であって超音波を送受信する超音波セルと前記間隙が導電材料で充填された参照セルとを含むことを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項１０に記載の超音波診断装置であって、
さらに、前記超音波セルの空洞高さを評価する性能評価部を備え、前記性能評価部は、前記超音波セルについて測定した静電容量を、前記参照セルについて測定した静電容量を用いて補正し、前記超音波セルの空洞高さを算出することを特徴とする超音波診断装置。
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