JP6390428B2 - Ultrasonic transducer cell, ultrasonic probe, and control method of ultrasonic transducer cell - Google Patents
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Description
本発明は、超音波検査に用いられる超音波プローブに関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe used for ultrasonic inspection.
超音波プローブは、被験体の内部に超音波を送出するとともに、被験体内部で反射した超音波信号を受信し、被験体内部の情報を取得する機能を持った超音波検診断装置本体の付属装置である。 The ultrasonic probe is attached to the main body of the ultrasonic diagnostic equipment that has the function to send out ultrasonic waves to the inside of the subject, receive ultrasonic signals reflected inside the subject, and acquire information inside the subject. Device.
超音波プローブに用いられる超音波振動子は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に代表される圧電セラミックを一列に配列して構成されるものが主流だが、近年では、3D/4D超音波イメージングが可能な安価で小型なプローブの実現を目的として振動子の2次元化が検討され、アレイ構造に適した手法としてcMUT(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)素子が広く研究されている(例えば、特許文献1)。このcMUT素子は静電気力で振動膜(以後、メンブレン)を駆動させる静電容量型のMEMSで構成され、例えば、図28に示すような構造をしている。図28(a)は、cMUT素子の斜視図、(b)はcMUT素子の分解斜視図、(c)はcMUT素子の側断面図である。図28に示すように、cMUT素子50は、基板51と、基板51内部に配置された下層電極52と、キャビティ(空洞部)53を挟んで下層電極52と対向するように配置された絶縁膜55及びメンブレン56と、メンブレン支持部54を備えている。ここでキャビティ53はメンブレン56とメンブレン支持部54と下層電極52で囲まれた空間からなり、略真空となるように構成される。また、メンブレン56は電極を兼ねており、下層電極52及びメンブレン56は夫々配線60a、60bに接続される。
Ultrasonic transducers used for ultrasonic probes are mainly composed of piezoelectric ceramics typified by PZT (lead zirconate titanate) arranged in a row, but in recent years, 3D / 4D ultrasonic imaging has become popular. Two-dimensional transducers have been studied for the purpose of realizing a low-cost and compact probe that is possible, and cMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) elements have been widely studied as a method suitable for an array structure (for example, Patent Document 1). . This cMUT element is composed of a capacitance type MEMS that drives a vibrating membrane (hereinafter referred to as a membrane) with electrostatic force, and has a structure as shown in FIG. 28, for example. FIG. 28A is a perspective view of the cMUT element, FIG. 28B is an exploded perspective view of the cMUT element, and FIG. 28C is a side sectional view of the cMUT element. As shown in FIG. 28, the
このような構成のcMUT素子50は、受信した超音波(音圧)によってメンブレン56が振動し、この際に起きるメンブレン56及び下層電極52の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。また、このcMUT素子50は、メンブレン56及び下層電極52の間にDC及びAC電圧を印加することによりメンブレン56を振動させ、超音波を送信することができる。
In the
このようなcMUT素子は、配線が容易で多素子の2次元アレイに適しているというメリットを有する一方、送信出力が低いという課題を有していた。3D/4D超音波イメージングにおいて、被検体表面から浅い部位から深い部位まで広範囲に高画質な超音波画像を取得するためにcMUT素子における送信出力をさらに増加させることが必要となる。 Such a cMUT element has a merit that wiring is easy and suitable for a two-dimensional array of multiple elements, but has a problem that a transmission output is low. In 3D / 4D ultrasonic imaging, it is necessary to further increase the transmission output in the cMUT element in order to acquire a high-quality ultrasonic image in a wide range from a shallow part to a deep part from the subject surface.
本発明は、上記課題に鑑み、従来の圧電素子を用いた超音波プローブと同等の低供給電圧を維持しながら、cMUTの出力感度を高め送信出力を向上することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to increase the output sensitivity of a cMUT and improve the transmission output while maintaining a low supply voltage equivalent to that of an ultrasonic probe using a conventional piezoelectric element.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る超音波振動子セルは、基板と、前記基板上又は前記基板内部に配置された第1電極と、前記第1電極上面に対し垂直方向に離間した状態で前記第1電極と対向して配された第1メンブレンと、前記第1メンブレン上面と垂直方向に離間した状態で前記第1メンブレンと対向して配された第2メンブレンと、前記基板と前記第1メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第1メンブレン支持部と、前記第1メンブレンと前記第2メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第2メンブレン支持部と、前記第1メンブレンに電気的に接続された第1配線部と、前記第2メンブレンに電気的に接続された第2配線部とを備え、(a)前記第1メンブレンは前記第2メンブレンよりも、前記1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(b)前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層は前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層よりも、前記1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する、又は、(c)前記第2メンブレンは前記第1メンブレンよりも、前記1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(d)前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層は前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層よりも、前記1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する。 In order to solve the above problems, an ultrasonic transducer cell according to an aspect of the present invention includes a substrate, a first electrode disposed on or in the substrate, and a direction perpendicular to the upper surface of the first electrode. A first membrane disposed opposite to the first electrode in a state of being separated from the first membrane; a second membrane disposed opposite to the first membrane in a state of being spaced apart from the upper surface of the first membrane; A first membrane supporting portion disposed in a gap between the substrate and the first membrane and surrounding a space in the gap; and a space in the gap between the first membrane and the second membrane. A second membrane supporting portion surrounding the first membrane, a first wiring portion electrically connected to the first membrane, and a second wiring portion electrically connected to the second membrane, (a) The first membrane is the second A thickness in a direction perpendicular to the top surface of the first membrane is larger than that of the membrane, or (b) a first gap layer surrounded by the first membrane support portion is a second thickness surrounded by the second membrane support portion. The space area in the direction parallel to the upper surface of the first membrane is smaller than the space layer, or (c) the second membrane is perpendicular to the upper surface of the first membrane than the first membrane. Or (d) the second gap layer surrounded by the second membrane support part has a surface above the first membrane than the first gap layer surrounded by the first membrane support part. It has at least one feature that the space area in the parallel direction is small.
また、別の態様では、前記第1メンブレンは、前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層に面した下層メンブレン部と、前記下層メンブレン部の上方に位置し前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層に面した上層メンブレン部と、前記下層メンブレン部と上層メンブレン部とを接続する接続部とが、積層された構造を有し、前記上層メンブレン部と前記下層メンブレン部とは前記接続部により電気的に接続され、前記接続部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積は、前記下層メンブレン部及び前記上層メンブレン部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積よりも小さいことを特徴とする。 In another aspect, the first membrane includes a lower membrane part facing the first gap layer surrounded by the first membrane support part, and the second membrane support part positioned above the lower membrane part. An upper membrane portion facing the second void layer and a connection portion connecting the lower layer membrane portion and the upper membrane portion are laminated, and the upper membrane portion and the lower membrane portion Are electrically connected by the connecting portion, and a cross-sectional area of the connecting portion in a direction parallel to the top surface of the first membrane is parallel to a top surface of the first membrane of the lower membrane portion and the upper membrane portion. It is smaller than the cross-sectional area.
上記した本発明の一態様に係る超音波プローブは、cMUTを積層した超音波振動子セルを有する構造において上記構成を採ることにより、第1メンブレン上面の撓みを減少させ第2メンブレンより大きな変位を発生させることができる。そのため、単層の場合と比較してより大きな超音波送信出力を得ることができ、超音波プローブの送信出力特性を改善することができる。 The above-described ultrasonic probe according to one aspect of the present invention adopts the above configuration in a structure having an ultrasonic transducer cell in which cMUTs are stacked, thereby reducing the deflection of the upper surface of the first membrane and causing a larger displacement than the second membrane. Can be generated. Therefore, a larger ultrasonic transmission output can be obtained as compared with the case of a single layer, and the transmission output characteristics of the ultrasonic probe can be improved.
≪本発明を実施するための形態に到った経緯について≫
発明者らは、cMUT素子を用いた超音波振動子セルの超音波送受信感度をさらに向上するために各種の検討を行った。上述のとおり、従来のcMUT素子は、配線が容易で多素子の2次元アレイに適しているというメリットを有する一方、送信出力が低いという課題を有しており、送受信感度を向上させるための様々な提案が今日までに成されている。<< Background to the form for carrying out the present invention >>
The inventors conducted various studies in order to further improve the ultrasonic transmission / reception sensitivity of the ultrasonic transducer cell using the cMUT element. As described above, the conventional cMUT element has the advantage that it is easy to wire and is suitable for a two-dimensional array of multiple elements, while it has a problem that the transmission output is low. Proposals have been made to date.
一例として、コラプスモード(collapse mode)と呼ばれる新しい動作モードが提案されている。コラプスモードとは、下層電極にDC電圧をかける際に、通常モードよりも大きい特定の電圧をかけることにより、メンブレンを下層電極のDC静電力で吸引し、メンブレンが下層電極に接触した状態で作動させる作動モードをいう。このコラプスモードでは、通常のモードより感度、駆動能力が高いと言われており、例えば、特許文献1に示すような応用構造が提案されている。 As an example, a new operation mode called a collapse mode has been proposed. In the collapse mode, when a DC voltage is applied to the lower electrode, a specific voltage higher than that in the normal mode is applied to attract the membrane with the DC electrostatic force of the lower electrode, and the membrane is in contact with the lower electrode. This is the operating mode to be activated. In this collapse mode, it is said that the sensitivity and drive capability are higher than in the normal mode. For example, an application structure as shown in Patent Document 1 has been proposed.
しかしながら、コラプスモードを利用する場合は、一般的に、約130〜150Vの極めて高いDC電圧をかけることが必要であり、このような電圧を提供できない場合には、このモードを作動させ維持して行くことができない。また、超音波診断に用いる場合、このような高電圧は人体に対して好ましくない影響を及ぼすおそれがある。これに対し、特許文献1の構成はメンブレンと基板が接触した状態で融着させることで、必要なDC電圧を下げる工夫がされているが、コラプスモードの信頼性の課題に対しては対処できていない。すなわち、コラプスモードではメンブレンと基板が常時接触している領域の周辺では、メンブレンと基板が衝突を繰り返すことになり、薄膜の絶縁膜が破壊されてしまうという課題を依然有している。 However, when utilizing the collapse mode, it is generally necessary to apply a very high DC voltage of about 130-150V, and if such a voltage cannot be provided, this mode should be activated and maintained. I can't go. Further, when used for ultrasonic diagnosis, such a high voltage may adversely affect the human body. On the other hand, the configuration of Patent Document 1 is devised to reduce the necessary DC voltage by fusing the membrane and the substrate in contact with each other, but it can cope with the reliability problem of the collapse mode. Not. That is, in the collapse mode, the membrane and the substrate repeatedly collide around the region where the membrane and the substrate are always in contact with each other, and there is still a problem that the thin insulating film is destroyed.
また、素子を積層することにより出力向上を図る手法が検討されている。例えば、特許文献2に示すような圧電方式のpMUT(piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)とcMUTを組み合わせた構成が提案されている。しかしながら、特許文献2に記載された構成では、pMUTとcMUTをそれぞれ異なるパルス電圧で駆動する必要があり回路構成が複雑になる。また、製造プロセスが複雑になり、ばらつきが大きくなることが予想される。
Also, a technique for improving output by stacking elements has been studied. For example, a configuration in which a piezoelectric pMUT (piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) as shown in
さらに、素子を積層することにより出力向上を図る他の手法として、例えば、特許文献3に示すようなcMUTをピラミッド状に積層した構成が提案されている。しかしながら、特許文献3に記載された構成では、ピラミッド状に積層されているため、上層になるほど電極の総面積が小さくなり、超音波の送受信に使える有効な領域が小さくなるので効率的ではない。さらに、例えば2段の構成を考えると、上層のメンブレンが下層の複数のメンブレンをまたぐ形態となっているため、上層のキャビティを封止するためにメンブレン支持部の間に壁を設けると、壁を設けた部分では下層のメンブレンが機能しなくなるという課題を有している。
Furthermore, as another method for improving the output by stacking elements, for example, a configuration in which cMUTs as shown in
上述の素子を積層する構成では、キャビティを挟んだ両側の面がメンブレンとして機能し、バイアス電圧印加時に夫々逆向きに撓む(キャビティが縮む方向に撓む)ように構成されている。発明者らは送受信感度向上に向けた検討により、キャビティを挟んだ両側の面がメンブレンとしてバイアス電圧印加時に夫々逆向きに撓む構成では送信出力特性が向上しないという知見を得た。また、これに対し一方の側の撓みを抑え他方を大きく撓ませた方が大きな振動子セル全体としては高い送信出力特性が得られるという知見も得た。以下に示す実施の形態は、発明者ら検討に基づく上記知見をもとに従来cMUTの課題を解決するもので、従来から使用される圧電素子を用いた超音波プローブと同等の供給電圧を維持しながら、cMUTの構造的な改善によって送受信感度を高めることを目的とするものである。 In the configuration in which the above-described elements are stacked, both surfaces sandwiching the cavity function as a membrane, and are configured to bend in opposite directions (bend in the direction in which the cavity is contracted) when a bias voltage is applied. As a result of studies aimed at improving transmission / reception sensitivity, the inventors have found that the transmission output characteristics are not improved in a configuration in which both surfaces sandwiching the cavity are bent in opposite directions as a membrane when a bias voltage is applied. In addition, it has also been found that if the deflection of one side is suppressed and the other is largely bent, a high transducer output characteristic can be obtained as a whole large transducer cell. The following embodiment solves the problems of the conventional cMUT based on the above findings based on the inventors' investigation, and maintains the same supply voltage as that of an ultrasonic probe using a piezoelectric element that has been conventionally used. However, it is intended to increase transmission / reception sensitivity by structural improvement of cMUT.
以下、実施の形態に係る超音波振動子セルについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an ultrasonic transducer cell according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
≪本発明を実施するための形態の概要≫
本実施の形態に係る超音波振動子セルは、基板と、前記基板上又は前記基板内部に配置された第1電極と、前記第1電極上面に対し垂直方向に離間した状態で前記第1電極と対向して配された第1メンブレンと、前記第1メンブレン上面と垂直方向に離間した状態で前記第1メンブレンと対向して配された第2メンブレンと、前記基板と前記第1メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第1メンブレン支持部と、前記第1メンブレンと前記第2メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第2メンブレン支持部と、前記第1メンブレンに電気的に接続された第1配線部と、前記第2メンブレンに電気的に接続された第2配線部とを備え、(a)前記第1メンブレンは前記第2メンブレンよりも、前記1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(b)前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層は前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層よりも、前記1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する、又は、(c)前記第2メンブレンは前記第1メンブレンよりも、前記1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(d)前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層は前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層よりも、前記1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する。<< Outline of Embodiment for Implementing the Present Invention >>
The ultrasonic transducer cell according to the present embodiment includes a substrate, a first electrode disposed on or in the substrate, and the first electrode in a state of being vertically separated from the upper surface of the first electrode. A first membrane disposed opposite to the first membrane; a second membrane disposed opposite to the first membrane in a state of being vertically separated from the upper surface of the first membrane; and the substrate and the first membrane A first membrane support portion disposed in the gap and surrounding the space in the gap; and a second membrane support portion disposed in the gap between the first membrane and the second membrane and surrounding the space in the gap. A first wiring portion electrically connected to the first membrane, and a second wiring portion electrically connected to the second membrane; (a) the first membrane is more than the second membrane; Also said 1 men The thickness in the direction perpendicular to the upper surface of the lens is large, or (b) the first gap layer surrounded by the first membrane support part is more than the second gap layer surrounded by the second membrane support part. Or (c) the second membrane has a thickness in a direction perpendicular to the upper surface of the first membrane rather than the first membrane. (D) The second void layer surrounded by the second membrane support portion is larger in spatial area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the first void layer surrounded by the first membrane support portion. Has at least one of the following characteristics.
また、別の態様では、前記(b)の特徴を有するときに、前記第1メンブレン支持部は前記第2メンブレン支持部よりも、前記1メンブレン上面と平行な方向の断面積が大きい構成であってもよい。 In another aspect, when having the feature (b), the first membrane support portion has a larger cross-sectional area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the second membrane support portion. May be.
また、別の態様では、前記(d)の特徴を有するときに、前記第2メンブレン支持部は前記第1メンブレン支持部よりも前記1メンブレン上面と平行な方向の断面積が大きい構成であってもよい。 In another aspect, when having the feature (d), the second membrane support portion has a larger cross-sectional area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the first membrane support portion. Also good.
また、別の態様では、前記第1メンブレン支持部は前記第2メンブレン支持部と前記1メンブレン上面と平行な方向における最大幅が略等しい構成であってもよい。 In another aspect, the first membrane support portion may have a configuration in which maximum widths in a direction parallel to the second membrane support portion and the upper surface of the first membrane are substantially equal.
また、別の態様では、基板と、前記基板上又は前記基板内部に配置された第1電極と、前記第1電極上面に対し垂直方向に離間した状態で前記第1電極と対向して配された第1メンブレンと、前記第1メンブレン上面と垂直方向に離間した状態で前記第1メンブレンと対向して配された第2メンブレンと、前記基板と前記第1メンブレンとの間隙に配され当該間隙内の空隙層を囲繞する第1メンブレン支持部と、前記第1メンブレンと前記第2メンブレンとの間隙に配され当該間隙内の空隙層を囲繞する第2メンブレン支持部と、前記第1メンブレンと電気的に接続された第1配線部と、前記第2メンブレンと電気的に接続された第2配線部とを備え、前記第1メンブレンは、前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層に面した下層メンブレン部と、前記下層メンブレン部の上方に位置し前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層に面した上層メンブレン部と、前上層メンブレン部と、前記下層メンブレン部とを接続する接続部とが、積層された構造を有し、前記上層メンブレン部と前記下層メンブレン部とは前記接続部により電気的に接続され、前記接続部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積は、前記下層メンブレン部及び前記上層メンブレン部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積よりも小さい構成であってもよい。 In another aspect, the substrate, the first electrode disposed on or in the substrate, and the first electrode are arranged opposite to the first electrode in a state of being vertically separated from the upper surface of the first electrode. A first membrane, a second membrane disposed opposite to the first membrane in a state of being vertically separated from an upper surface of the first membrane, and a gap between the substrate and the first membrane. A first membrane support that surrounds the void layer, a second membrane support that is disposed in the gap between the first membrane and the second membrane and surrounds the void layer in the gap, and the first membrane A first wiring part electrically connected to the second membrane and a second wiring part electrically connected to the second membrane, wherein the first membrane is surrounded by the first membrane support part; Lower layer facing the layer Connecting the membrane part, the upper membrane part facing the second gap layer located above the lower membrane part and surrounded by the second membrane support part, the front upper membrane part, and the lower membrane part The upper membrane part and the lower membrane part are electrically connected by the connection part, and the cross-sectional area of the connection part in a direction parallel to the upper surface of the first membrane is The lower layer membrane part and the upper layer membrane part may have a configuration smaller than a cross-sectional area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane.
また、別の態様では、前記上層メンブレン部は前記第2メンブレンよりも前記第1メンブレン上面と垂直方向の厚さが大きい構成であってもよい。 In another aspect, the upper layer membrane portion may be thicker in the direction perpendicular to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
また、別の態様では、前記下層メンブレン部は前記第2メンブレンよりも前記第1メンブレン上面と垂直方向の厚さが大きい構成であってもよい。 In another aspect, the lower layer membrane portion may have a greater thickness in a direction perpendicular to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
また、別の態様では、前記下層メンブレン部は前記第2メンブレンよりも前記第1メンブレン上面と平行な方向の幅が小さい構成であってもよい。 In another aspect, the lower membrane part may have a smaller width in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
また、別の態様では、前記下層メンブレン部、前記上層メンブレン部、前記接続部の前記第1メンブレン上面と平行な方向における中心位置は一致している構成であってもよい。 In another aspect, the lower layer membrane portion, the upper layer membrane portion, and the connection portion may have a configuration in which center positions in a direction parallel to the upper surface of the first membrane coincide with each other.
また、別の態様では、前記第2配線部と電気的に接続されたサブメンブレンと、当該サブメンブレンを支持しかつ前記サブメンブレンと前記基板内部の配線とを電気的に接続するサブメンブレン支持部とを有する構成であってもよい。 In another aspect, the submembrane electrically connected to the second wiring portion, and the submembrane supporting portion that supports the submembrane and electrically connects the submembrane and the wiring inside the substrate. The structure which has these may be sufficient.
また、別の態様では、前記第1メンブレン及び第2メンブレンは導電性を有する構成であってもよい。 In another aspect, the first membrane and the second membrane may be conductive.
また、別の態様では、さらに、前記第1メンブレン上方に積層された絶縁性材料からなる第1絶縁性メンブレンを備えた構成であってもよい。 Moreover, in another aspect, the structure provided with the 1st insulating membrane which consists of an insulating material laminated | stacked above the said 1st membrane may be sufficient.
また、別の態様では、さらに、前記第2メンブレン上方に積層された絶縁性材料からなる第2絶縁性メンブレンを備えた構成であってもよい。 Moreover, in another aspect, the structure provided with the 2nd insulating membrane which consists of an insulating material further laminated | stacked above the said 2nd membrane may be sufficient.
また、別の態様では、上記超音波振動子セルを複数有し、互いに隣接する前記超音波振動子セルの前記第2メンブレン又は前記第2配線部の少なくとも一方が連結されることにより前記複数の超音波振動子セルの前記第2配線部が電気的に接続されている超音波振動子であってもよい。 In another aspect, the ultrasonic transducer cell includes a plurality of the ultrasonic transducer cells, and at least one of the second membrane or the second wiring portion of the ultrasonic transducer cells adjacent to each other is connected to the plurality of the ultrasonic transducer cells. It may be an ultrasonic transducer in which the second wiring part of the ultrasonic transducer cell is electrically connected.
また、別の態様では、上記超音波振動子を複数有し、当該複数の超音波振動子は、前記第2メンブレン上面と平行な平面において2次元に配列されて振動子アレイを構成している超音波プローブであってもよい。 In another aspect, the ultrasonic transducer includes a plurality of ultrasonic transducers, and the plurality of ultrasonic transducers are arranged two-dimensionally in a plane parallel to the upper surface of the second membrane to constitute a transducer array. An ultrasonic probe may be used.
また、別の態様では、上記超音波振動子セルを制御する方法であって、前記第1電極及び前記第2配線部にバイアス電圧を印加し、前記第1配線部にパルス電圧を印加して超音波を送信する超音波振動子セルの制御方法であってもよい。 According to another aspect, there is provided a method for controlling the ultrasonic transducer cell, wherein a bias voltage is applied to the first electrode and the second wiring part, and a pulse voltage is applied to the first wiring part. A method for controlling an ultrasonic transducer cell that transmits ultrasonic waves may be used.
また、別の態様では、上記超音波振動子セルを制御する方法であって、前記第1配線部にバイアス電圧を印加し、前記第1電極及び前記第2配線部にパルス電圧を印加して超音波を送信する超音波振動子セルの制御方法であってもよい。 According to another aspect, there is provided a method for controlling the ultrasonic transducer cell, wherein a bias voltage is applied to the first wiring part, and a pulse voltage is applied to the first electrode and the second wiring part. A method for controlling an ultrasonic transducer cell that transmits ultrasonic waves may be used.
また、別の態様では、前記第1電極にパルス電圧を印加するタイミングと前記第2配線部にパルス電圧を印加するタイミングが異なる超音波振動子セルの制御方法であってもよい。 In another aspect, there may be a method for controlling an ultrasonic transducer cell in which a timing at which a pulse voltage is applied to the first electrode and a timing at which a pulse voltage is applied to the second wiring portion are different.
また、別の態様では、前記第1の電極に印加するパルス電圧のパルス幅と前記第3の電極に印加するパルス電圧のパルス幅とが異なる超音波振動子セルの制御方法であってもよい。 In another aspect, a method of controlling an ultrasonic transducer cell in which a pulse width of a pulse voltage applied to the first electrode and a pulse width of a pulse voltage applied to the third electrode are different. .
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して説明を省略する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In addition, the same reference number is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.
≪実施の形態1≫
<超音波プローブ102の構成>
図1は、実施の形態1に係る超音波プローブ102の全体構成を示す概略図である。図1に示すように、超音波プローブ102は、プローブケース111の内部に超音波を送受波する超音波振動子アレイ112(以後、「振動子アレイ112」とする)と、振動子アレイ112内の超音波振動子(エレメント)に対して独立に電気信号を入出力するための複数の信号線がプリントされたプリント基板114とを備えている。また、超音波プローブ102は、プローブケーブル115を介して超音波診断装置本体109に接続されている。<< Embodiment 1 >>
<Configuration of
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the
図2は、実施の形態1に係る超音波プローブ102の振動子アレイ112の配列を示した上面図である。図3(a)は、実施の形態1に係る超音波振動子11の基本構造を示した上面図、(b)は(a)図中A−A断面の断面図である。
FIG. 2 is a top view showing the arrangement of the
図2に示すように、振動子アレイ112は複数の超音波振動子セル12(以後、「振動子セル12」とする)からなる超音波振動子11(以後、「振動子11」とする)を2次元的に配列して構成される。振動子11は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて製造される静電容量型超音波振動子(cMUT)であり、被検体内に3次元的に超音波を送受信できるように構成されている。各振動子セル12は電気的エネルギー及び振動による機械的エネルギーを相互変換させる。図2、3に示すように、実施の形態1では、一例として、振動子11は4個の振動子セル12から構成されている。また、各振動子セル12の直径は、例えば、40から80μmである。しかしながら、振動子11を構成する振動子セル12の個数、サイズは任意に設定可能であり上記には限られない。
As shown in FIG. 2, the
同一の振動子11に含まれる振動子セル12は電気的に接続され、パルス状の電圧を印加することにより同位相で超音波を送信するように構成されている。また、振動子11毎に所定の時間差を設けて駆動電圧を供給することにより、発生した超音波をフォーカス及び偏向することができる。この構成により、超音波プローブ102は3次元方向に超音波を送信してセクタ走査が行えるように構成されている。
The
<超音波診断装置100の構成>
図4は、実施の形態1に係る超音波プローブ102を用いた超音波診断装置100の機能ブロック図である。超音波診断装置100は、超音波を被検体101に送信するとともに、被検体101の内部で反射した超音波信号を受信する超音波プローブ102と、超音波を送信するための駆動信号を発生して超音波プローブ102の超音波素子に供給するとともに、超音波プローブ102の超音波素子で検出した信号を増幅及びデジタル変換して出力する送受信部103と、送受信部103から出力された信号を用いてデジタルビームフォーミング等を行う信号処理部104と、信号処理部104で生成された3次元データに基づいて、3次元画像のレンダリング処理等を施す画像処理部105と、処理を施された画像データに基づいて画像を表示する画像表示部106と、所定のタイミングで駆動信号を発生するように送受信部103を制御する制御部107とを有している。<Configuration of ultrasonic
FIG. 4 is a functional block diagram of the ultrasonic
また、送受信部103、信号処理部104、画像処理部105、画像表示部106、制御部107は、超音波診断装置本体109に格納されており、超音波プローブ102との間は、複数の信号線のケーブルをひとまとめにして被覆したプローブケーブルで接続されている。なお、検出信号の増幅及びデジタル変換等、送受信部103の一部の機能は超音波プローブ102内で実現されていてもよい。
The transmission /
<振動子セル12の構成>
図5(a)は、実施の形態1に係る振動子セル12の斜視図、(b)は、振動子セル12の分解斜視図である。図6は、実施の形態1に係る振動子セル12の動作を示す説明図であり、(a)は、振動子セル12にバイアス電圧を印加していない状態の断面図、(b)は、振動子セル12にバイアス電圧を印加した状態の断面図である。<Configuration of
FIG. 5A is a perspective view of the
図5(a)、(b)、図6(a)に示すように、振動子セル12はシリコンウエハー、ガラス、石英等の電気絶縁性を有する素材で構成された基板21と、基板21内部に配置された導電性を有する下層電極22と、第1キャビティ23(第1空隙層)を挟んで下層電極22と対向するように配置された第1メンブレン25と、第2キャビティ27(第2空隙層)を挟んで第1メンブレン25と対向するように配置された第2メンブレン29と第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31bを備えている。また、第1メンブレン25の下方及び上方に各々絶縁膜24及び26、第2メンブレン29の下方に絶縁膜28を備えている。
As shown in FIGS. 5A, 5B, and 6A, the
ここで、第1メンブレン25の基板12と垂直な方向の厚みは第2メンブレン29の厚みよりも厚くなるように構成されている。例えば、第1メンブレン25の厚みを2から4μmとし、第2メンブレン29の厚みを1から2μmとしてもよい。
Here, the thickness of the
下層電極22は、例えば、導電性を有するアルミ、銀、銅、クロム等の金属を用いることができ、例えば、膜厚は約4μmで構成することができる。第1メンブレン及び第2メンブレンは、導電性を有する材料からなり、例えば、アルミ、銀、銅、クロム等の金属、導電性樹脂等を用いることができる。第1メンブレン25及び第2メンブレン29は電極を兼ねており、下層電極22、第1メンブレン25、第2メンブレン29は夫々配線部30a、30b、30cに接続されている。
For example, the
第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31b、絶縁膜24、26、28は、絶縁性を有する薄膜材料を用いることができ、例えば、SiC、SiO2、SiNや、これらの混合物を用いてもよい。第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31bの図6(a)における基板21上面と平行な平面方向の厚みは、例えば、2から4μmに構成することができる。ここで、1メンブレン支持部31aの図6(a)における平面方向の厚みは、第2メンブレン支持部31bの厚みより大きい。例えば、第1メンブレン支持部31aを3から5μmとし、第2メンブレン支持部31bを2から3μmに構成することができる。For the first
第1キャビティ23は、第1メンブレン25とメンブレン支持部31aと基板21とで囲まれた空間であり、第2キャビティ27は第1メンブレン25とメンブレン支持部31bと第2メンブレン29とで囲まれた空間である。第1キャビティ23、第2キャビティ27ともに、略真空となるように構成される。
The
第1キャビティ23は、第2キャビティ27よりも図6(a)における基板21上面と平行な方向の幅が小さくなるように、即ちメンブレンの積層方向に垂直な断面積は、第1キャビティ23が第2キャビティ27よりも小さくなるように構成されている。第1キャビティ23及び第2キャビティ27の、図6(a)における基板21上面と平行な方向の幅は、例えば、40から80μmとすることができる。また、第1キャビティ23及び第2キャビティ27の高さは、例えば、200から300nmとすることができる。
The
また、上述のとおり、第1キャビティ23及び第2キャビティ27と第1メンブレン25及び第2メンブレン29の間には、それぞれ絶縁膜24、26、28が配置されている。絶縁膜24、26、28の厚みは、例えば200から400nmとすることができる。
As described above, the insulating
以下、メンブレンの積層方向に垂直なキャビティもしくはメンブレン支持部の断面積は、単にキャビティの断面積もしくはメンブレン支持部の断面積と表現する。 Hereinafter, the cross-sectional area of the cavity or the membrane support part perpendicular to the stacking direction of the membrane is simply expressed as the cross-sectional area of the cavity or the cross-sectional area of the membrane support part.
なお、第1メンブレン25が電極を兼ねる代わりに、第1メンブレン25上もしくは内部に電極を形成してもよい。同様に第2メンブレン29が電極を兼ねる代わりに、第2メンブレン29上もしくは内部に電極を形成してもよい。また、下層電極22を基板21内部に配置する代わりに、基板21上に配置してもよい。例えば、第1メンブレン25は絶縁性材料からなる第1絶縁性メンブレンと、第1絶縁性メンブレンを挟むように配置された上下の電極層とを有し、上下の電極層は電気的に接続されている構成としてもよい。また、第2メンブレン29は絶縁性材料からなる第2絶縁性メンブレンと電極層とを有する構成としてもよい。
Instead of the
また、本実施の形態における振動子セル12は、一例として六角形状のものを挙げているが、これに限ったものではなくその他の形状であってもよい。
In addition, although the
<振動子セル12の製造方法>
次に、振動子セル12の製造方法について説明する。図7、図8は、実施の形態1に係る振動子セル12の製造方法を示す概略図である。<Method for
Next, a method for manufacturing the
第1ステップにおいて、半導体基板の上面に配線層120及び基板21となる絶縁膜を形成し、その上面に配線層120と連結するように構成される下層電極22をエッチングによりパターニングして形成する。さらにその上に薄い絶縁膜21Aを形成する(図7(a))。
In the first step, an insulating film to be the
次に、第2ステップにおいて、絶縁膜21Aの上面に第1キャビティ23形成用の第1犠牲層121と絶縁膜24とを形成する。そして、第1キャビティ23を形成する部分に対応したマスクを2次元的に配列させ、マスクを施されていない部分をエッチング処理等で除去して下層電極22に届く凹部121Aを形成する(図7(b))。
Next, in the second step, the first
次に、第3ステップにおいて、凹部121Aを充填するとともに絶縁膜24を覆うように第1メンブレン25と絶縁膜26とを形成する。そして、第1メンブレン25と絶縁膜26とを貫通し第1犠牲層121に届く孔25Aを形成する(図7(c))。セルとセルの間の孔はセル同士を分離する溝形状であってもよい。
Next, in the third step, the
次に、第4ステップにおいて、反応性のガス等を用いて孔からエッチングにより第1犠牲層121を除去して第1キャビティ23を形成する(図7(d)。
Next, in the fourth step, the first
次に、第5ステップにおいて、第2ステップと同様に、絶縁膜26の上面に第2キャビティ27形成用の第3犠牲層123と絶縁膜28を形成する。そして、第2キャビティ27を形成する部分に対応したマスクを2次元的に配列させ、マスクを施されていない部分をエッチングにより第3の犠牲層123及び絶縁膜28を部分的に除去して絶縁膜26に届く凹部123Aを形成する(図8(a))。このとき、凹部123Aの横方向の開口幅は凹部121Aの横方向の開口幅よりも小さく形成する。なお、第2メンブレン29と第1メンブレン25を絶縁するため、絶縁膜26は除去しない。
Next, in the fifth step, the third
次に、第6ステップにおいて、第3ステップと同様に、前工程で除去した凹部123Aの部分を充填すると共に絶縁膜28を覆う膜である第2メンブレン29を形成する。このとき、第2メンブレン29の膜厚を第1メンブレン25の膜厚よりも薄く形成する。そして、第2メンブレン29を貫通し、第3の犠牲層123に届く孔29Aを形成する(図8(b))。セルとセルの間の孔は溝形状であってもよいが同一のエレメント内のセル同士は少なくとも一部がつながるように形成する。
Next, in the sixth step, similarly to the third step, a
最後に前工程で形成した孔29Aからエッチングにより第3の犠牲層123を除去して第2キャビティ27を形成し、第2キャビティ27の内部が真空状態を保つようにカバー層124を形成して封止して振動子セル12を完成する(図8(c))。
Finally, the third
ところで、上記の製造方法において、第1キャビティ23、及び、第2キャビティ27は完全に封止され、ほぼ真空状態となるように構成されている。これらのキャビティは公知のMEMS技術、例えば、SM法(Surface Micromachining法;犠牲層を除去し、キャビティを形成する方法)等を用いて形成することができる。
By the way, in the above manufacturing method, the
この時、第2メンブレン29及び絶縁膜28内部を通るように第2キャビティ27から第1キャビティ23まで間に犠牲層除去孔(図示は省略)を空けておくことで、一度の犠牲層エッチングで両方のキャビティを形成することができる。また、第2メンブレン29上の犠牲層除去孔を塞げば両方のキャビティを封止できる。
At this time, a sacrificial layer removal hole (not shown) is provided between the
<振動子セル12の動作について>
次に、このように構成された実施の形態1の振動子セル12の動作について説明する。図9は、図6(a)、(b)の振動子セル12における配線部30a、30b、30cに印加される電圧とそのタイミングを示した図である。ここで、71は、配線部30a、30cに対して印加する電圧、72は配線部30bに印加する電圧を示している。<Operation of the
Next, the operation of the
まず、初期状態(t=t0のタイミング)において、配線部30a、30cにはDCバイアス電圧(例えば、−100V)を印加し、配線部30bは0Vとしておく。
First, in an initial state (timing of t = t0), a DC bias voltage (for example, −100 V) is applied to the
このような状態下では、図6(b)に示すように、第1メンブレン25と第2メンブレン29の間に静電引力が働き、第2メンブレン29が下側に撓む。また、下層電極22と第1メンブレン25の間にも静電引力が働き第1メンブレン25が僅かに下側に撓む。
Under such a state, as shown in FIG. 6B, electrostatic attraction acts between the
次にt=t1のタイミングで、配線部30a、30cにバイアス電圧を印加したまま、配線部30bにバイアス電圧程度のパルス電圧を印加する。そうすると、下層電極22、第1メンブレン25、及び、第2メンブレン29の間の電位差は瞬間的にほぼ0Vとなり、各電極間に発生していた静電気力が失われ、第1メンブレン25及び第2メンブレン29の弾性力によって図6(a)に示すような状態に戻る。この反動作用によって、第2メンブレン29の上方に超音波を発生させる。
Next, at the timing of t = t1, a pulse voltage about the bias voltage is applied to the
パルス電圧を配線部30bに印加した瞬間に、第1メンブレン25では変位は小さいが大きな加速度が発生し、この加速度が第2メンブレン29に伝わるとともに、第2メンブレン29の弾性力との相乗効果で第2メンブレン29に大きな変位を発生させるので、単層構造のものより大きな出力が得られる。
At the moment when the pulse voltage is applied to the
また、バイアス電圧を印加した状態で超音波(音圧)を受信すると、第1メンブレン25及び第2メンブレン29が振動し、この際に起きる下層電極22と第1メンブレン25の間の静電容量変化、及び、第1メンブレン25と第2メンブレン29の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。
When an ultrasonic wave (sound pressure) is received with a bias voltage applied, the
なお、図6(a)、(b)の説明においては、振動子セル12の動作として説明したが、振動子セル12によって構成された振動子11、振動子11によって構成された振動子アレイ112も同様の動作となる。
6A and 6B, the operation of the
<振動子セル12の超音波送信特性について>
次に、振動子セル12の超音波送信特性について説明する。ここでは、実施の形態1における振動子、従来の単層構造の振動子、従来の単層構造のを単純に積層した比較例に係る振動子について、各々の超音波送信特性を有限要素法による構造解析シミュレーションを用いて解析その結果を比較する。<Regarding the ultrasonic transmission characteristics of the
Next, the ultrasonic transmission characteristics of the
図10は、実施の形態1に係る振動子11の超音波送信特性と従来及び比較例の静電容量型振動子の超音波送信特性とを比較した図である。図11は、従来の静電容量型振動子構造を単純に積層させた比較例に係る振動子セルの断面図である。図12は、図10に示した超音波送信特性を調べる際の条件を示したチャートである。
FIG. 10 is a diagram comparing the ultrasonic transmission characteristics of the
ここで、図10において、超音波送信特性83は実施の形態1における振動子11の超音波送信特性のシミュレーション結果を表し、超音波送信特性81は図28に示した従来の単層構造を有する振動子の超音波送信特性のシミュレーション結果である。また、超音波送信特性82は、メンブレン厚とキャビティ断面積を変えずに単純にメンブレンを積層した図11に示した比較例に係る振動子の超音波送信特性のシミュレーション結果である。ここで、メンブレン厚及びキャビティの断面積は、図12の表に示したとおりである。超音波送信特性として振動子セル12から所定の距離離間した位置における音圧をシミュレーションで求めた。
Here, in FIG. 10, an ultrasonic transmission characteristic 83 represents a simulation result of the ultrasonic transmission characteristic of the
図10に示すように、従来例に係る超音波送信特性81と比較例に係る超音波送信特性82とを比較すると、単層構造の従来例に係る超音波送信特性81の方が、メンブレン厚とキャビティの断面積を変えずに単純積層した比較例に係る超音波送信特性82よりも高い超音波出力を示した。これに対し、実施の形態1に係る超音波送信特性83では、従来例に係る超音波送信特性81に比べて2倍(6dB改善)の出力が得られた。すなわち、実施の形態1に係る超音波送信特性83では、メンブレン厚やキャビティの断面積(横幅)を変えて積層させることで超音波出力の改善が見られた。ここで、メンブレン支持部の断面積を変えることによりキャビティの断面積を変化させる構成としている。 As shown in FIG. 10, when the ultrasonic transmission characteristic 81 according to the conventional example is compared with the ultrasonic transmission characteristic 82 according to the comparative example, the ultrasonic transmission characteristic 81 according to the conventional example having a single-layer structure has a greater membrane thickness. The ultrasonic output was higher than the ultrasonic transmission characteristic 82 according to the comparative example in which the layers were simply laminated without changing the cross-sectional area of the cavity. On the other hand, in the ultrasonic transmission characteristic 83 according to the first embodiment, an output twice (6 dB improvement) was obtained as compared with the ultrasonic transmission characteristic 81 according to the conventional example. That is, in the ultrasonic transmission characteristic 83 according to Embodiment 1, the ultrasonic output was improved by changing the thickness of the membrane and the cross-sectional area (lateral width) of the cavity. Here, it is set as the structure which changes the cross-sectional area of a cavity by changing the cross-sectional area of a membrane support part.
実施の形態1や比較例に示した静電容量型振動子構造を積層させ振動子セルでは、パルス電圧を配線部30bに印加した瞬間に、第1メンブレン25では変位は小さいが大きな加速度が発生し、この加速度が第2メンブレン29に伝わるとともに、第2メンブレン29の弾性力との相乗効果で第2メンブレン29に変位を発生させる。この際、実施の形態1では、メンブレン厚やキャビティの断面積(横幅)を変えて積層させたことで、第1メンブレン25の周波数が第2メンブレン29の周波数よりも高く構成されている。そのため、第1メンブレン25と第2メンブレン29との間で各メンブレンの変位時の位相を異ならせることができ、単層構造のものより大きな出力が得られる。
In the vibrator cell in which the capacitive vibrator structure shown in the first embodiment or the comparative example is laminated, the
また、第2メンブレン29が変位するときには、第1メンブレン25は撓まない方が望ましい。実施の形態1では、第1メンブレン25を第2メンブレン29よりも厚く構成することで撓みを抑えることができると考えられる。実施の形態1に係る超音波送信特性83では、メンブレン厚やキャビティの断面積(横幅)を変えて積層させることで、第1メンブレン25の撓みを減少させることができる。このように、第1メンブレン25を撓みにくくしたことで、第2メンブレン29に大きな変位を発生させることができるので超音波出力の改善が見られたと考えられる。
Further, it is desirable that the
なお、本シミュレーションでは簡単のため、メンブレン等の形状を正方形としているが、その他の形状でシミュレーションをさせても同様の傾向が得られると考えられる。 For the sake of simplicity, the shape of the membrane or the like is square in this simulation, but it is thought that the same tendency can be obtained even if simulation is performed with other shapes.
また、本実施の形態では、配線部30a、30cにバイアス電圧を印加し、配線部30bにパルス電圧を印加する構成としたが、配線部30bにバイアス電圧を印加し、配線部30a、30cにパルス電圧を印加することもできる。この場合、配線部30a、30cには夫々異なるパルス電圧を印加することができるため、第1メンブレン25、及び第2メンブレン29のそれぞれの共振周波数に合わせたパルス幅で電圧を印加することで効果的に動作させることができる。駆動周波数は超音波プローブの診断目的や診断する被検体の部位に応じて最適値が異なる。その目的に応じて振動子セルの共振周波数を設定し駆動することが好ましい。例えば、腹部など皮膚面から深い部位については約3Mhzが好ましく、頸動脈などの皮膚面から浅い部位については約10MHzが好ましい。また、乳房に対しては約7MHzが好ましい。そのため、駆動周波数は3MHzから10MHzを含む範囲から選択されることが好ましい。
In the present embodiment, the bias voltage is applied to the
また、第2メンブレン29に電圧を印加するタイミングをわずかに遅らせると、被検体からの反力が低減し第2メンブレンを被検体側に大きく変形させられるので、さらに出力を向上させることができる。
Further, if the timing of applying a voltage to the
また、実施の形態1では、配線部30a、30cに同じ電圧のバイアス電圧を印加する構成としたが、それぞれ異なるバイアス電圧を印加してもよい。例えば、配線部30aに−100V、配線部30cに−90Vとして電圧のバランスを崩し、第1メンブレン25を基板21側により引き付けるように構成する。この場合、構成次第では第2メンブレン29のストロークを第2キャビティ27の間隔(縦幅)よりも大きくすることができ、送信出力を向上させることができる。
In the first embodiment, the same bias voltage is applied to the
以上に説明したように本実施の形態1の振動子11は、従来構造で課題であった送信出力を大幅に改善することができる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲に超音波を送受信できる2次元アレイプローブが実現でき、広範囲で高画質な3D/4Dイメージングが可能な超音波診断が可能となる。
As described above, the
<変形例1>
図13は、実施の形態1の変形例1に係る振動子セル12の断面図である。実施の形態1では、第1メンブレン25の厚みは第2メンブレン29よりも厚くなるように構成し、第1キャビティ23は第2キャビティ27よりも断面積(図面上では横幅)が小さくなるように構成したが、変形例1では図13に示すように、第2メンブレン29の厚みを第1メンブレン25よりも厚くなるように構成し、第2キャビティ27は第1キャビティ23よりも横幅が小さくなるように構成している。<Modification 1>
FIG. 13 is a cross-sectional view of the
図14は、実施の形態1の変形例1の振動子11の超音波送信特性と従来の静電容量型振動子の超音波送信特性とを比較した図である。図14において、超音波送信特性81は、図10に示した従来の単層構造を有する振動子の超音波送信特性を、超音波送信特性83は、実施の形態1に係る振動子の超音波送信特性を、超音波送信特性84は変形例1に係る振動子の超音波送信特性のシミュレーション結果を示している。ここで、メンブレン厚及びキャビティの断面積は、図15に示したとおりである。変形例1と実施の形態1とはメンブレン厚及びキャビティ断面積を逆にした条件の下でのシミュレーション結果である。
FIG. 14 is a diagram comparing the ultrasonic transmission characteristics of the
図14に示すように、変形例1に係る超音波送信特性84においては、実施の形態1に係る超音波送信特性83及び従来例に係る超音波送信特性81との比較において、約12Mhzより高い周波数において高い音圧レベルを示す。実施の形態1及び変形例1におけるシミュレーション結果から、メンブレン厚あるいはキャビティの断面積を異ならせてメンブレンを積層させることが超音波送信特性の向上に効果的であることがわかる。 As shown in FIG. 14, the ultrasonic transmission characteristic 84 according to the first modification is higher than about 12 Mhz in comparison with the ultrasonic transmission characteristic 83 according to the first embodiment and the ultrasonic transmission characteristic 81 according to the conventional example. High sound pressure level at frequency. From the simulation results in the first embodiment and the first modification, it can be seen that stacking the membranes with different membrane thicknesses or cavity cross-sectional areas is effective in improving the ultrasonic transmission characteristics.
また、図14に示すように、変形例1に係る超音波送信特性84と実施の形態1に係る超音波送信特性83との比較により、メンブレン厚あるいはキャビティの断面積は、メンブレンの共振周波数に影響していることがわかる。 Further, as shown in FIG. 14, by comparing the ultrasonic transmission characteristic 84 according to the modification 1 and the ultrasonic transmission characteristic 83 according to the first embodiment, the membrane thickness or the sectional area of the cavity is equal to the resonance frequency of the membrane. You can see that it has an effect.
<変形例2>
図16は、実施の形態1の変形例2に係る振動子セル12の断面図である。実施の形態1は静電容量型振動子の構造を2段積層した形態で説明したが、変形例2では、図16に示すように3段に積層した構成としている。図16に示すように、変形例2は、実施の形態1の構成に加えて、第2メンブレン29と対向するように配置された第3メンブレン44、第2メンブレン29と第3メンブレン44間に配置されている第3キャビティ42を取り囲むメンブレン支持部31c、及び第3キャビティ42と第2メンブレン29及び第3メンブレン44の間に挿入された絶縁膜41及び43を有する。<
FIG. 16 is a cross-sectional view of the
各層の電極あるいはメンブレンは配線部30a、30b、30c、30dに連結され、配線部30a、30cにバイアス電圧、配線部30b、配線部30dにパルス電圧を印加することにより超音波が送信される。
The electrode or membrane of each layer is connected to the
ここで、第3メンブレン44の厚みは第2メンブレン29の厚みよりも薄く形成されている。また、第3キャビティ42の横方向の幅は、第2キャビティ27の横方向の幅よりも大きく構成されている。このように、メンブレン厚もしくはキャビティの断面積を変化させながらメンブレンを積層を増やすことで、実施の形態1及び変形例1に対してさらに超音波送信出力を向上させることができる。
Here, the thickness of the
<変形例3>
図17は、実施の形態1の変形例3に係る振動子セル12の断面図である。実施の形態1では静電容量型振動子を対称な構造で説明したが、変形例3に係る振動子セルでは、図17に示すように、第1キャビティ23と第2キャビティ27の中心位置を横方向にずらした構成を有している。例えば、第1キャビティ23の左右両側でのメンブレン支持部の幅と、第2キャビティ27の左右両側でのメンブレン支持部の幅とを、第1キャビティ23と第2キャビティ27とで相互に異ならせて配置することにより、各キャビティの中心位置を横方向にずらすことができる。このように構成することで、振動子セルの垂直方向に対して傾いた方向に超音波を送信することができる。<
FIG. 17 is a cross-sectional view of the
従来の圧電素子を用いた超音波プローブにおいて、超音波を送信する範囲が大きい広い走査角を必要とする用途では、図29に示すようなコンベックス型のプローブが用いられる。このようなコンベックス型のプローブでは、圧電素子45を曲面上に配置することで広い走査角を実現している、これに対し、変形例3係る振動子セルを用いることにより、平面上に配置しても鉛直方向から傾いた方向に強い超音波を送信でき、広い走査角が必要な用途にも利用することができる。
In an ultrasonic probe using a conventional piezoelectric element, a convex probe as shown in FIG. 29 is used in an application that requires a wide scanning angle with a large ultrasonic transmission range. In such a convex probe, a wide scanning angle is realized by arranging the
≪実施の形態2≫
次に、実施の形態2に係る振動しセルについて、図面を用いて説明する。<<
Next, the vibrating cell according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
<振動子セル12の構成>
図18(a)は、実施の形態2に係る超音波プローブ102に用いる振動子11の基本構造を示した上面図、(b)(a)図中A−A断面の断面図である。図19(a)は、実施の形態2に係る振動子セル12にバイアス電圧を印加していない状態の断面図、(b)は、バイアス電圧を印加した状態の断面図である。<Configuration of
FIG. 18A is a top view showing the basic structure of the
図18(a)、(b)、図19(a)に示すように、振動子セル12はシリコンウエハー、ガラス、石英等の電気絶縁性を有する素材で構成された基板21と、基板21内部に配置された導電性を有する下層電極22と、第1キャビティ23を挟んで下層電極22と対向するように配置された第1メンブレン25と、第2キャビティ27を挟んで第1メンブレン25と対向するように配置された第2メンブレン29と第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31bを備えている。また、第1メンブレン25の下方及び上方に各々絶縁膜24及び26、第2メンブレン29の下方に絶縁膜28を備えている。
As shown in FIGS. 18A, 18B, and 19A, the
第1のメンブレン25は、下層メンブレン部25a、接続部25b、上層メンブレン部25cから構成されている。接続部25bは、図19(a)における横方向の幅は、下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cの横方向の幅より小さく構成されている。そのため、下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cは、各々の変位の他方への影響を少なくすることができる。例えば、下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cの横方向の幅を40から50μmとし、接続部25bの横方向の幅を20から40μmとしてもよい。また、下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cは、接続部25bによって互いに電気的に接続されている。第1メンブレン25及び第2メンブレン29は電極を兼ねており、後述する下層電極22、第1メンブレン25、第2メンブレン29は夫々配線部30a、30b、30cに接続されている。第1メンブレン25の下層メンブレン部25aおよび上層メンブレン部25cの厚み及び第2メンブレン29の厚みは、1から4μmの範囲に構成することができる。接続部25bの厚みは、2から3μmとすることができる。
The
下層電極22は、例えば、導電性を有するアルミ、銀、銅、クロム等の金属を用いることができ、例えば、膜厚は約4μmで構成することができる。第1メンブレン及び第2メンブレンは、導電性を有する材料からなり、例えば、アルミ、銀、銅、クロム等の金属、導電性樹脂等を用いることができる。
For example, the
第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31b、絶縁膜24、26、28は、絶縁性を有する薄膜材料を用いることができ、例えば、SiC、SiO2、SiNや、これらの混合物を用いてもよい。第1メンブレン支持部31a、第2メンブレン支持部31bの図19(a)における平面方向の厚みは、例えば、2から4μmに構成することができる。また、第1メンブレン支持部31aと第2メンブレン支持部31bの図19(a)における平面方向の厚みは略同一である。For the first
第1キャビティ23(第1間隙)は、第1メンブレン25とメンブレン支持部31aと基板21とで囲まれた空間であり、第2キャビティ27(第2間隙)は第1メンブレン25とメンブレン支持部31bと第2メンブレン29とで囲まれた空間である。第1キャビティ23、第2キャビティ27ともに、略真空となるように構成される。
The first cavity 23 (first gap) is a space surrounded by the
第1キャビティ23は第2キャビティ27よりも図面上の横方向の幅は略同一となるように、即ちメンブレンの積層方向に垂直な断面積は、第1キャビティ23と第2キャビティ27において略同一に構成されている。言い換えるとメンブレン支持部31aとメンブレン支持部31bよりもメンブレンの積層方向に垂直な方向の断面積は同じである。第1キャビティ23、第2キャビティ27の図19(a)における横方向の幅は、例えば、40から80μmとすることができる。また、第1キャビティ23及び第2キャビティ27の高さは、例えば、200から300nmとすることができる。
The
また、第1キャビティ23及び第2キャビティ27と第1メンブレン25及び第2メンブレン29の間には、それぞれ絶縁膜24、26、28が配置されている。絶縁膜24、26、28の厚みは、例えば200から400nmとすることができる。
Insulating
なお、第1メンブレン25が電極を兼ねる代わりに、第1メンブレン25上もしくは内部に電極を形成してもよい。同様に第2メンブレン29が電極を兼ねる代わりに、第2メンブレン29上もしくは内部に電極を形成してもよい。また、下層電極22を基板21内部に配置する代わりに、基板21上に配置してもよい。また、第1メンブレン25は絶縁性を有する第1絶縁性メンブレンと第1絶縁性メンブレンを挟むように配置された上下の電極層とを有する構成を採ることができる。この場合、第1絶縁性メンブレンと絶縁層24および26との間に電極層を挿入する構成となる。同様に、第2メンブレン29は絶縁性を有する第2絶縁性メンブレンと電極層とを有すると構成を採ることができる。この場合も第2絶縁性メンブレンと絶縁層28の間に電極層を挿入する構成となる。
Instead of the
また、本実施の形態における振動子セル12は、一例として六角形状のものを挙げているが、これに限ったものではなくその他の形状であってもよい。
<振動子セル12の製造方法>
次に、振動子セル12の製造方法について説明する。図20、図21は、実施の形態2に係る振動子セル12の製造方法を示す概略図である。In addition, although the
<Method for
Next, a method for manufacturing the
第1ステップにおいて、半導体基板の上面に配線層120及び基板21となる絶縁膜を形成し、その上面に配線層120と連結するように構成される下層電極22をエッチングによりパターニングして形成する。さらにその上に薄い絶縁膜21Aを形成する(図20(a))。
In the first step, an insulating film to be the
次に、第2ステップにおいて、絶縁膜21Aの上面に第1キャビティ23形成用の第1犠牲層121と絶縁膜24とを形成する。そして、第1キャビティ23を形成する部分に対応したマスクを2次元的に配列させ、マスクを施されていない部分をエッチング処理等で除去して下層電極22に届く凹部121Aを形成する(図20(b))。
Next, in the second step, the first
次に、第3ステップにおいて、凹部121Aを充填するとともに絶縁膜24を覆うように下層メンブレン部25aを形成する。そして、下層メンブレン部25aを貫通し第1犠牲層121に届く孔25Bを形成する(図20(c))。セルとセルの間の孔はセル同士を分離する溝形状であってもよい。
Next, in a third step, a lower
次に、第4ステップにおいて、反応性のガス等を用いて孔からエッチングにより第1犠牲層121を除去して第1キャビティ23を形成し、下層メンブレン部25a上に新たにエッチング等でパターニングした第2犠牲層122を形成する(図20(d)。
Next, in the fourth step, the first
次に、第5ステップにおいて、パターニングされた第2犠牲層122の間を埋めるとともに第2犠牲層122を覆うように接続部25b及び上層メンブレン部25aを形成する。そして、上層メンブレン部25aを貫通し、第2犠牲層122に届く孔25Dを形成する(図21(a))。ここでも、セルとセルの間の孔はセル同士を分離する溝形状であってもよい。
Next, in a fifth step, the
ここで、反応性のガス等を用いて第2犠牲層122を除去する。その後、第2ステップと同様に、絶縁膜26の上面に第2キャビティ27形成用の第3犠牲層123と絶縁膜28を形成し、エッチングにより第3の犠牲層123及び絶縁膜28を部分的に除去する。なお、第2メンブレン29と上層メンブレン部25aを絶縁するため、絶縁膜26は除去しない。
Here, the second
次に、第6ステップにおいて、第3ステップと同様に、前工程で除去した部分を充填すると共に絶縁膜28を覆う膜である第2メンブレン29を形成する。そして、第2メンブレン29を貫通し、第3犠牲層123に届く孔29Aを形成する(図21(b))。セルとセルの間の孔は溝形状であってもよいが同一のエレメント内のセル同士は少なくとも一部がつながるように形成する。
Next, in the sixth step, as in the third step, a
最後に前工程で形成した孔29Aからエッチングにより第3犠牲層123を除去して第2キャビティ27を形成し、第2キャビティ27の内部が真空状態を保つようにカバー層124を形成して封止して振動子セル12を完成する(図21(c))。
Finally, the third
ところで、上記の製造方法において、第1キャビティ23、及び、第2キャビティ27は完全に封止され、ほぼ真空状態となるように構成されている。これらのキャビティは公知のMEMS技術、例えば、SM法(Surface Micromachining法;犠牲層を除去し、キャビティを形成する方法)等を用いて形成することができる。
By the way, in the above manufacturing method, the
この時、第2メンブレン29及び絶縁膜28と、接続部25bの内部を通るように第2キャビティ27から第1キャビティ23まで間に犠牲層除去孔(図示は省略)を空けておくことで、一度の犠牲層エッチングで両方のキャビティを形成することができる。また、第2メンブレン29上の犠牲層除去孔を塞げば両方のキャビティを封止できる。従って、空隙34もこのような形成方法を用いれば、ほぼ真空状態で封止することができる。
At this time, by sacrificing a sacrificial layer removal hole (not shown) between the
<振動子セル12の動作について>
次に、このように構成された実施の形態1の振動子セル12の動作について説明する。
実施の形態1の振動子セル12の配線部30a、30b、30cに印加される電圧とそのタイミングは、図9に示した実施の形態1の例と同じである。図9において、71は、配線部30a、30cに対して印加する電圧、72は配線部30bに印加する電圧を示している。<Operation of the
Next, the operation of the
The voltages applied to the
まず、初期状態(t=t0のタイミング)において、配線部30a、30cにはDCバイアス電圧(例えば、−100V)を印加し、配線部30bは0Vとしておく。
First, in an initial state (timing of t = t0), a DC bias voltage (for example, −100 V) is applied to the
このような状態下では、図19(b)に示すように、下層電極22と第1メンブレン25の間に静電引力が働き第1メンブレン25の下層メンブレン部25aが下側に撓む。また、第1メンブレン25の上層メンブレン部25cと第2メンブレン29の間にも静電引力が働き、第2メンブレン29が下側に撓む。
Under such a state, as shown in FIG. 19B, electrostatic attraction acts between the
次にt=t1のタイミングで、配線部30a、30cにバイアス電圧を印加したまま、配線部30bにバイアス電圧程度のパルス電圧を印加する。そうすると、下層電極22、第1メンブレン25、及び、第2メンブレン29の間の電位差は瞬間的にほぼ0Vとなり、各電極間に発生していた静電気力が失われ、下層メンブレン部25a及び第2メンブレン29の弾性力によって図19(a)に示すような状態に戻る。この反動作用によって、第2メンブレン29の上方に超音波を発生させる。
Next, at the timing of t = t1, a pulse voltage about the bias voltage is applied to the
パルス電圧を配線部30bに印加した瞬間に、下層メンブレン部25aでは大きな加速度が発生し、この加速度が接続部25b及び上層メンブレン部25cを介して第2メンブレン29に伝わるとともに、第2メンブレン29の弾性力との相乗効果で第2メンブレン29に大きな変位を発生させるので、単層構造のものより大きな出力が得られる。また、このとき、上層メンブレン部25cが変形が発生しないことにより、第2メンブレン29により大きな加速度を与えることができると考えられる。
At the moment when the pulse voltage is applied to the
また、バイアス電圧を印加した状態で超音波(音圧)を受信すると、下層メンブレン部25a及び第2メンブレン29が振動し、この際に起きる下層電極22と下層メンブレン部25aの間の静電容量変化、及び、上層メンブレン部25cと第2メンブレン29の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。
Further, when an ultrasonic wave (sound pressure) is received in a state where a bias voltage is applied, the lower
なお、図19(a)、(b)の説明においては、振動子セル12の動作として説明したが、振動子セル12によって構成された振動子11、振動子11によって構成された振動子アレイ112も同様の動作となる。
19A and 19B, the operation of the
<振動子セル12の超音波送信特性について>
次に、振動子セル12の超音波送信特性について説明する。ここでは、実施の形態2における振動子、従来の単層構造の振動子について各々の超音波送信特性を、有限要素法による構造解析シミュレーションを用いて解析その結果を比較する。図22は、実施の形態2に係る振動子11の超音波送信特性と従来の静電容量型振動子の超音波送信特性とを比較した図である。図22において、超音波送信特性81が従来例における超音波送信特性を示し、超音波送信特性82が実施の形態2における超音波送信特性を示している。<Regarding the ultrasonic transmission characteristics of the
Next, the ultrasonic transmission characteristics of the
図22に示すように、実施の形態2に係る超音波送信特性82では、従来例に係る超音波送信特性81に比べて3倍以上(10dB以上改善)の出力が得られた。図22に示した超音波送信特性シミュレーションでは、下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cの厚さを3um、第2メンブレン29の厚さを1umとしており、第1メンブレン25の下層メンブレン部25a及び上層メンブレン部25cを第2メンブレン29よりも厚くなるように構成している。このように構成することで、従来構造の2倍以上の出力が発生する結果が得られている。
As shown in FIG. 22, in the ultrasonic transmission characteristic 82 according to the second embodiment, an output three times or more (an improvement of 10 dB or more) is obtained as compared with the ultrasonic transmission characteristic 81 according to the conventional example. In the ultrasonic transmission characteristic simulation shown in FIG. 22, the thickness of the lower
実施の形態2に係る静電容量型振動子構造を積層させ振動子セルでは、パルス電圧を配線部30bに印加した瞬間に、下層メンブレン部25aでは変位は小さいが大きな加速度が発生し、この加速度が第2メンブレン29に伝わるとともに、第2メンブレン29の弾性力との相乗効果で第2メンブレン29に変位を発生させる。このとき、上層メンブレン部25cは撓まない方が望ましく、上層メンブレン部25cの撓みを抑えることにより第2メンブレン29に大きな変位を発生させることができると考えられる。超音波送信特性83では、上層メンブレン部25cと下層メンブレン部25aとが幅狭の接続部25bによって接続されている構成することで、上層メンブレン部25cは撓みを減少させることができ、その結果、第2メンブレン29に大きな変位を発生させることができ超音波出力の改善が見られたと考えられる。
In the vibrator cell in which the capacitive vibrator structure according to the second embodiment is laminated, at the moment when the pulse voltage is applied to the
なお、本シミュレーションでは簡単のため、メンブレン等の形状を正方形としているが、その他の形状でシミュレーションをさせても同様の傾向が得られると考えられる。 For the sake of simplicity, the shape of the membrane or the like is square in this simulation, but it is thought that the same tendency can be obtained even if simulation is performed with other shapes.
なお、本実施の形態では、配線部30a、30cにバイアス電圧を印加し、配線部30bにパルス電圧を印加する構成としたが、配線部30bにバイアス電圧を印加し、配線部30a、30cにパルス電圧を印加することもできる。この場合、配線部30a、30cには夫々異なるパルス電圧を印加することができるため、下層メンブレン部25a、及び第2メンブレン29のそれぞれの共振周波数に合わせたパルス幅で電圧を印加することで効果的に動作させることができる。駆動周波数は超音波プローブの診断目的や診断する被検体の部位に応じて最適値が異なる。その目的に応じて振動子セルの共振周波数を設定し駆動することが好ましい。超音波プローブでは、駆動周波数は3MHzから10MHzを含む範囲から選択されることが好ましい。
In the present embodiment, the bias voltage is applied to the
さらに、第2メンブレン29に電圧を印加するタイミングをわずかに遅らせると、被検体からの反力が低減し第2メンブレンを被検体側に大きく変形させられるので、されに出力を向上させることができる。
Furthermore, if the timing of applying a voltage to the
また、本実施の形態では、配線部30a、30cに同じ電圧のバイアス電圧を印加する構成としたが、それぞれ異なるバイアス電圧を印加してもよい。 以上に説明したように本実施の形態1の振動子11は、従来構造で課題であった送信出力を大幅に改善することができる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲に超音波を送受信できる2次元アレイプローブが実現でき、広範囲で高画質な3D/4Dイメージングが可能な超音波診断が可能となる。
In the present embodiment, the same bias voltage is applied to the
<変形例1>
図23は、実施の形態2の変形例1に係る振動子セル12の断面図である。ここでは、下層メンブレン部25aの横方向の幅を第2メンブレン29の横方向の幅より小さくしている。その他の構成については、実施の形態2と同様であるため、説明を省略する。<Modification 1>
FIG. 23 is a cross-sectional view of the
図24は、実施の形態2の変形例1に係る振動子11の超音波送信特性を示した図である。図22のシミュレーション結果に、変形例1に係る振動子の超音波送信特性84を重ねて示したものである。
FIG. 24 is a diagram illustrating the ultrasonic transmission characteristics of the
図24において、超音波送信特性81が従来例における超音波送信特性を、超音波送信特性82が実施の形態2における超音波送信特性を、超音波送信特性84が変形例1における超音波送信特性を示している。図24に示すように、変形例1に係る超音波送信特性84では、実施の形態2に係る超音波送信特性82に比べて、ピーク付近における高い音圧レベルの出力が得られた。また、従来例の超音波送信特性81に比べて2倍以上高い音圧レベルの出力が得られている。
24, the ultrasonic transmission characteristic 81 is the ultrasonic transmission characteristic in the conventional example, the ultrasonic transmission characteristic 82 is the ultrasonic transmission characteristic in the second embodiment, and the ultrasonic transmission characteristic 84 is the ultrasonic transmission characteristic in the first modification. Is shown. As shown in FIG. 24, in the ultrasonic transmission characteristic 84 according to the first modification, an output having a higher sound pressure level near the peak was obtained as compared with the ultrasonic transmission characteristic 82 according to the second embodiment. In addition, an output with a sound pressure level that is at least twice as high as the
ここで、図24に示した超音波送信特性シミュレーションでは、実施の形態2に係る超音波送信特性82は、第1キャビティ23の横方向の幅を28umとして、変形例1に係る超音波送信特性84は第1キャビティ23の横方向の幅を24umとしてシミュレーションした。すなわち、変形例1の振動子セル12では下層メンブレン部25aの横方向の幅を第2メンブレン29の横方向の幅より小さく構成している。このとき、下層メンブレン部25a及び第2メンブレン29の厚みはともに1umである。
Here, in the ultrasonic transmission characteristic simulation shown in FIG. 24, the ultrasonic transmission characteristic 82 according to the second embodiment is the ultrasonic transmission characteristic according to the first modification, in which the lateral width of the
また、図24に示すように、変形例1に係る超音波送信特性84と実施の形態2に係る超音波送信特性82との比較により、下層メンブレン部25a及び第2メンブレン29の横幅は、メンブレンの共振周波数に影響していることがわかる。
Further, as shown in FIG. 24, the comparison between the ultrasonic transmission characteristic 84 according to Modification 1 and the ultrasonic transmission characteristic 82 according to
なお、変形例1においては、下層メンブレン部25aと第2メンブレン29の横幅を変化させてシミュレーションさせたが、横幅を変化させると共に図面奥方向の長さも変化させてもよい。また、下層メンブレン部25aと第2メンブレンの断面積を変化させてもよい。
In the modification 1, the simulation is performed by changing the horizontal width of the lower
<変形例2>
図25は、実施の形態2の変形例2に係る振動子セル12の断面図である。実施の形態2では、第2メンブレン29が電極を兼ねているため、同じエレメント内の隣接セル同士が第2メンブレン29によって連結された構造としていた。これに対し、変形例2においては、図25に示すように、第2メンブレン29にバイアス電圧を印加する経路となるサブメンブレン32を設け、第2メンブレン29からサブメンブレン32を介して引き出された配線は、基板21内の配線によって隣接セルと連結するように構成している。サブメンブレン32を設けた点を除いては、実施の形態2と同様であり説明を省略する。<
FIG. 25 is a cross-sectional view of the
ここで、第2メンブレン29にバイアス電圧を印加する経路となるサブメンブレン32は、図25に示すように、第1メンブレン25に接続されている構成としてもよい。この場合には上層メンブレン部25cとサブメンブレン32が接続される部分との間に絶縁部33を備えることでこの構成を採ることができる。
Here, the
図26は、実施の形態1の変形例2に係る振動子11の超音波送信特性と、変形例2からサブメンブレン32を除いた比較例に係る振動子の超音波送信特性とを比較した図である。ここで、サブメンブレン32は、第1メンブレン25に配置されているとしてシミュレーションしている。図25において、超音波送信特性83が比較例に係る振動子11の超音波送信特性を示し、超音波送信特性85が変形例2に係る振動子11の超音波送信特性を示している。
FIG. 26 is a diagram comparing the ultrasonic transmission characteristics of the
図25に示すように、比較例に係る超音波送信特性83では2つのピークを有する周波数特性を示すが、変形例2に係る超音波送信特性85では帯域の広い特性が得られる。サブメンブレン32を設けたことにより、サブメンブレン32が空隙34を封止するためであると考えられる。これにより、比較例において生じていた横方向への余分な振動が抑制され帯域の広い特性が得られたと考えられる。
As shown in FIG. 25, the ultrasonic transmission characteristic 83 according to the comparative example shows a frequency characteristic having two peaks, but the ultrasonic transmission characteristic 85 according to the modified example 2 has a wide band characteristic. It is considered that this is because the
<変形例3>
図27は、実施の形態2の変形例3に係る振動子セル12の断面図である。実施の形態2、変形例1、変形例2は静電容量型振動子の構造を2段積層した形態で説明したが、図27に示すように、3段の構成であってもよい。<
FIG. 27 is a cross-sectional view of the
図27の構成において、追加部46は、第1メンブレン25、絶縁膜26、第2キャビティ27、絶縁膜28と同じ構造であり、その上に第3メンブレン44が形成されている。各層の電極あるいはメンブレンは配線部30a、30b、30c、30dに連結され、配線部30a、30cにバイアス電圧、配線部30b、配線部30dにパルス電圧を印加することにより超音波が送信される。
In the configuration of FIG. 27, the
このように積層を増やすことでさらに送信出力を向上させることができる。 Thus, the transmission output can be further improved by increasing the number of layers.
≪その他の変形例≫
以上、各実施の形態に係る超音波プローブ、超音波振動子、超音波振動子セルについて説明した。本発明は、各実施の形態に限定されるものではない。例えば、各実施の形態における超音波診断装置に含まれる処理部の一部又は全部が、超音波プローブ102に含まれてもよい。≪Other variations≫
The ultrasonic probe, ultrasonic transducer, and ultrasonic transducer cell according to each embodiment have been described above. The present invention is not limited to each embodiment. For example, some or all of the processing units included in the ultrasonic diagnostic apparatus in each embodiment may be included in the
また、各実施の形態に係る超音波診断装置に含まれる各処理部は典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部又は全てを含むように1チップ化されてもよい。 Each processing unit included in the ultrasonic diagnostic apparatus according to each embodiment is typically realized as an LSI that is an integrated circuit. These may be individually made into one chip, or may be made into one chip so as to include a part or all of them.
また、集積回路化はLSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、又はLSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。 Further, the circuit integration is not limited to LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor. An FPGA (Field Programmable Gate Array) that can be programmed after manufacturing the LSI or a reconfigurable processor that can reconfigure the connection and setting of circuit cells inside the LSI may be used.
また、各実施の形態に係る、超音波診断装置の機能の一部又は全てを、CPU等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。 Moreover, you may implement | achieve part or all of the function of the ultrasound diagnosing device based on each embodiment, when processors, such as CPU, run a program.
さらに、本発明は上記プログラムであってもよいし、上記プログラムが記録された非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。 Furthermore, the present invention may be the above program or a non-transitory computer-readable recording medium on which the above program is recorded. Needless to say, the program can be distributed via a transmission medium such as the Internet.
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウェア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。 In addition, division of functional blocks in the block diagram is an example, and a plurality of functional blocks can be realized as one functional block, a single functional block can be divided into a plurality of functions, or some functions can be transferred to other functional blocks. May be. In addition, functions of a plurality of functional blocks having similar functions may be processed in parallel or time-division by a single hardware or software.
また、上記のステップが実行される順序は、本発明を具体的に説明するために例示するためのものであり、上記以外の順序であってもよい。また、上記ステップの一部が、他のステップと同時(並列)に実行されてもよい。 In addition, the order in which the above steps are executed is for illustration in order to specifically describe the present invention, and may be in an order other than the above. Also, some of the above steps may be executed simultaneously (in parallel) with other steps.
また、各実施の形態に係る超音波振動子セル、及びその変形例の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。 Moreover, you may combine at least one part among the functions of the ultrasonic transducer | vibrator cell which concerns on each embodiment, and its modification.
さらに、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。 Further, various modifications in which the present embodiment is modified within the scope conceived by those skilled in the art are also included in the present invention without departing from the gist of the present invention.
≪まとめ≫
上記した本発明の一態様に係る超音波プローブは、cMUTを積層した超音波振動子セルを有する構造において上記構成を採ることにより、第1メンブレン上面の撓みを減少して第2メンブレン29により大きな変位を発生させることができる。これにより、単層の場合と比較してより大きな超音波送信出力を得ることができ、超音波プローブの送信出力特性を改善することができる。これにより、3D/4D超音波イメージングにおいて従来のcMUTと比較してノイズの少ない明瞭な超音波画像を得ることができる。≪Summary≫
The above-described ultrasonic probe according to one aspect of the present invention adopts the above-described configuration in a structure having an ultrasonic transducer cell in which cMUTs are stacked, thereby reducing the deflection of the upper surface of the first membrane and making the
≪補足≫
以上で説明した実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程、工程の順序などは一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない工程については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。<Supplement>
Each of the embodiments described above shows a preferred specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connection forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the embodiment, steps that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are described as arbitrary constituent elements constituting a more preferable form.
また、発明の理解の容易のため、上記各実施の形態で挙げた各図の構成要素の縮尺は実際のものと異なる場合がある。また本発明は上記各実施の形態の記載によって限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Further, for easy understanding of the invention, the scales of the components shown in the above-described embodiments may be different from actual ones. The present invention is not limited by the description of each of the above embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention.
さらに、超音波振動子セル、超音波振動子、超音波プローブ、超音波診断装置においては基板上に回路部品、リード線等の部材も存在するが、電気的配線、電気回路について当該技術分野における通常の知識に基づいて様々な態様を実施可能であり、本発明の説明として直接的には無関係のため、説明を省略している。尚、上記示した各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。 Furthermore, in the ultrasonic transducer cell, the ultrasonic transducer, the ultrasonic probe, and the ultrasonic diagnostic apparatus, there are members such as circuit components and lead wires on the substrate. Various aspects can be implemented on the basis of ordinary knowledge, and are not directly related to the description of the present invention, so the description is omitted. Each figure shown above is a schematic diagram, and is not necessarily illustrated strictly.
以上、実施の形態によれば、深部まで高感度な2次元アレイプローブを実現できる。これにより、浅い部位から深い部位まで広範囲で高画質な3D/4Dイメージングを小型のプローブで実現できる。また、ノイズの少ない明瞭な超音波画像を得ることができる。あるいは、超音波振動子への印加電圧を低減すことができる。これにより機器の省電力化に貢献することができる。そのため、バッテリーの長寿命化により超音波診断装置のモバイル化に波及する技術となり、超音波振動子セル、超音波振動子、超音波プローブ、および超音波診断装置等に広く活用することが可能である。 As described above, according to the embodiment, it is possible to realize a two-dimensional array probe with high sensitivity up to a deep part. As a result, high-quality 3D / 4D imaging can be realized with a small probe in a wide range from a shallow part to a deep part. In addition, a clear ultrasonic image with little noise can be obtained. Alternatively, the voltage applied to the ultrasonic transducer can be reduced. Thereby, it can contribute to the power saving of an apparatus. For this reason, it has become a technology that extends to the mobile use of ultrasonic diagnostic equipment by extending battery life, and can be widely used for ultrasonic transducer cells, ultrasonic vibrators, ultrasonic probes, and ultrasonic diagnostic equipment. is there.
11 超音波振動子
12 超音波振動子セル
21 基板
22 下層電極
23 第1キャビティ
24、26、28 絶縁膜
25 第1メンブレン
25a 下層メンブレン部
25b 接続部
25c 上層メンブレン部
27 第2キャビティ
29 第2メンブレン
30a、30b、30c、30d 配線
31a、31b、31c メンブレン支持部
32 サブメンブレン
33 絶縁部
41、43 絶縁膜
42 第3キャビティ
44 第3メンブレン
45 圧電素子
46 追加部
50 従来の超音波振動子セル
51 基板
52 下層電極
53 キャビティ
54 メンブレン支持部
55 絶縁膜
56 メンブレン
60a、60b 配線
102 超音波プローブ
109 診断装置本体
100 超音波診断装置
112 超音波振動子アレイDESCRIPTION OF
Claims (19)
前記基板上又は前記基板内部に配置された第1電極と、
前記第1電極上面に対し垂直方向に離間した状態で前記第1電極と対向して配された第1メンブレンと、
前記第1メンブレン上面と垂直方向に離間した状態で前記第1メンブレンと対向して配された第2メンブレンと、
前記基板と前記第1メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第1メンブレン支持部と、
前記第1メンブレンと前記第2メンブレンとの間隙に配され、当該間隙内の空間を囲繞する第2メンブレン支持部と、
前記第1メンブレンに電気的に接続された第1配線部と、
前記第2メンブレンに電気的に接続された第2配線部と、
を備え、
(a)前記第1メンブレンは前記第2メンブレンよりも、前記第1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(b)前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層は前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層よりも、前記第1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する、又は、
(c)前記第2メンブレンは前記第1メンブレンよりも、前記第1メンブレン上面と垂直な方向の厚さが大きい、若しくは、(d)前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層は前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層よりも、前記第1メンブレン上面と平行な方向の空間面積が小さい、の少なくとも一方の特徴を有する
超音波振動子セル。 A substrate,
A first electrode disposed on or within the substrate;
A first membrane disposed facing the first electrode in a state of being vertically separated from the upper surface of the first electrode;
A second membrane disposed facing the first membrane in a state of being vertically separated from the upper surface of the first membrane;
A first membrane support part disposed in a gap between the substrate and the first membrane and surrounding a space in the gap;
A second membrane support portion disposed in a gap between the first membrane and the second membrane and surrounding a space in the gap;
A first wiring portion electrically connected to the first membrane;
A second wiring portion electrically connected to the second membrane;
With
(A) The first membrane is thicker in the direction perpendicular to the top surface of the first membrane than the second membrane, or (b) the first gap layer surrounded by the first membrane support is It has at least one of the characteristics that the space area in the direction parallel to the upper surface of the first membrane is smaller than the second gap layer surrounded by the second membrane support part, or
(C) The second membrane is thicker in the direction perpendicular to the top surface of the first membrane than the first membrane, or (d) the second void layer surrounded by the second membrane support is An ultrasonic transducer cell having at least one of the characteristics that a space area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane is smaller than that of the first gap layer surrounded by the first membrane support.
請求項1に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic vibration according to claim 1, wherein the first membrane support portion has a larger cross-sectional area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the second membrane support portion when having the feature (b). Child cell.
請求項1に記載の超音波振動子セル。 2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the second membrane support portion has a larger cross-sectional area in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the first membrane support portion when having the feature (d). cell.
請求項2又は3の何れか1項に記載の超音波振動子セル。 The first membrane support portion has a substantially equal maximum width in a direction parallel to the second membrane support portion and the top surface of the first membrane;
The ultrasonic transducer cell according to claim 2.
前記基板上又は前記基板内部に配置された第1電極と、
前記第1電極上面に対し垂直方向に離間した状態で前記第1電極と対向して配された第1メンブレンと、
前記第1メンブレン上面と垂直方向に離間した状態で前記第1メンブレンと対向して配された第2メンブレンと、
前記基板と前記第1メンブレンとの間隙に配され当該間隙内の空隙層を囲繞する第1メンブレン支持部と、
前記第1メンブレンと前記第2メンブレンとの間隙に配され当該間隙内の空隙層を囲繞する第2メンブレン支持部と、
前記第1メンブレンと電気的に接続された第1配線部と、
前記第2メンブレンと電気的に接続された第2配線部と、
を備え、
前記第1メンブレンは、前記第1メンブレン支持部に囲繞された第1空隙層に面した下層メンブレン部と、前記下層メンブレン部の上方に位置し前記第2メンブレン支持部に囲繞された第2空隙層に面した上層メンブレン部と、前記下層メンブレン部と上層メンブレン部とを接続する接続部とが、積層された構造を有し、
前記上層メンブレン部と前記下層メンブレン部とは前記接続部により電気的に接続され、
前記接続部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積は、前記下層メンブレン部及び前記上層メンブレン部の前記第1メンブレン上面と平行な方向の断面積よりも小さい
超音波振動子セル。 A substrate,
A first electrode disposed on or within the substrate;
A first membrane disposed facing the first electrode in a state of being vertically separated from the upper surface of the first electrode;
A second membrane disposed facing the first membrane in a state of being vertically separated from the upper surface of the first membrane;
A first membrane support portion disposed in a gap between the substrate and the first membrane and surrounding a void layer in the gap;
A second membrane support portion disposed in a gap between the first membrane and the second membrane and surrounding a void layer in the gap;
A first wiring portion electrically connected to the first membrane;
A second wiring portion electrically connected to the second membrane;
With
The first membrane includes a lower layer membrane portion facing the first gap layer surrounded by the first membrane support portion, and a second gap located above the lower layer membrane portion and surrounded by the second membrane support portion. The upper membrane part facing the layer and the connection part connecting the lower membrane part and the upper membrane part have a laminated structure,
The upper layer membrane part and the lower layer membrane part are electrically connected by the connection part,
The ultrasonic transducer cell, wherein a cross-sectional area of the connection portion in a direction parallel to the upper surface of the first membrane is smaller than a cross-sectional area of the lower layer membrane portion and the upper layer membrane portion in a direction parallel to the first membrane upper surface.
請求項5に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic transducer cell according to claim 5, wherein the upper membrane portion is thicker in the direction perpendicular to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
請求項5〜6のいずれか1項に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic transducer cell according to claim 5, wherein the lower layer membrane portion has a thickness in a direction perpendicular to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
請求項5〜7のいずれか1項に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic transducer cell according to claim 5, wherein the lower layer membrane portion has a smaller width in a direction parallel to the upper surface of the first membrane than the second membrane.
請求項5〜8のいずれか1項に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic transducer cell according to any one of claims 5 to 8, wherein center positions of the lower layer membrane portion, the upper layer membrane portion, and the connection portion in a direction parallel to the first membrane upper surface coincide with each other.
請求項5〜9のいずれか1項に記載の超音波振動子セル。 6. A submembrane electrically connected to the second wiring part, and a submembrane supporting part that supports the submembrane and electrically connects the submembrane and the wiring inside the substrate. The ultrasonic transducer cell according to any one of 9.
請求項1又は5に記載の超音波振動子セル。 Ultrasonic transducer cell according to claim 1 or 5, wherein the first membrane and said second membrane is electrically conductive.
請求項1又は5に記載の超音波振動子セル。 The ultrasonic transducer cell according to claim 1, wherein the second membrane includes a second insulating membrane made of an insulating material and an electrode layer.
互いに隣接する前記超音波振動子セルの前記第2メンブレン又は前記第2配線部の少なくとも一方が連結されることにより前記複数の超音波振動子セルの前記第2配線部が電気的に接続されている
超音波振動子。 A plurality of the ultrasonic transducer cells according to any one of claims 1 to 13,
By connecting at least one of the second membrane or the second wiring portion of the ultrasonic transducer cells adjacent to each other, the second wiring portions of the plurality of ultrasonic transducer cells are electrically connected. An ultrasonic transducer.
当該複数の超音波振動子は、前記第2メンブレン上面と平行な平面において2次元に配列されて振動子アレイを構成している
超音波プローブ。 A plurality of ultrasonic transducers according to claim 14,
The ultrasonic probe in which the plurality of ultrasonic transducers are arranged two-dimensionally in a plane parallel to the upper surface of the second membrane to constitute a transducer array.
前記第1電極及び前記第2配線部にバイアス電圧を印加し、
前記第1配線部にパルス電圧を印加して超音波を送信する
超音波振動子セルの制御方法。 A method for controlling an ultrasonic transducer cell according to any one of claims 1 to 13, comprising:
Applying a bias voltage to the first electrode and the second wiring part;
A method for controlling an ultrasonic transducer cell, wherein a pulse voltage is applied to the first wiring portion to transmit ultrasonic waves.
前記第1配線部にバイアス電圧を印加し、
前記第1電極及び前記第2配線部にパルス電圧を印加して超音波を送信する
超音波振動子セルの制御方法。 A method for controlling an ultrasonic transducer cell according to any one of claims 1 to 13, comprising:
Applying a bias voltage to the first wiring portion;
An ultrasonic transducer cell control method for transmitting an ultrasonic wave by applying a pulse voltage to the first electrode and the second wiring part.
請求項17に記載の超音波振動子セルの制御方法。 The method of controlling an ultrasonic transducer cell according to claim 17, wherein a timing at which a pulse voltage is applied to the first electrode is different from a timing at which a pulse voltage is applied to the second wiring portion.
請求項18記載の超音波振動子セルの制御方法。 The method of the ultrasonic transducer cell of the pulse width is different according to claim 18, wherein the pulse voltage the pulse width of the pulse voltage applied to the first electrodes and is applied to the third electrodes.
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