JP6395390B2 - 静電容量型トランスデューサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサおよびその製造方法に関する。

従来から、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、圧電素子の代替品として研究されている。このような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を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。

セルを正方形状や長方形状に配置し、隣接セルの間隔が均一である素子を含む静電容量型トランスデューサが存在する（特許文献１参照）。また、素子端部のセルの送信効率あるいは受信感度が素子中央部のセルの送信効率あるいは受信感度より低い静電容量型トランスデューサが存在する（特許文献２参照）。

特開２００８−９８６９７号公報 米国特許第８４５６９５８号公報

セルを正方形状や長方形状に配置し、隣接セルの間隔が均一である素子を含む静電容量型トランスデューサにより超音波を送信する場合、素子の端部と中央部で均一な音圧が放射されるため、超音波ビームにサイドローブが発生しやすくなる。この超音波ビームを用いた超音波画像の画質は、サイドローブにより劣化することがある。また、受信の場合も同様に画質が劣化することがある。

また、静電容量型トランスデューサの素子端部のセルの送信効率あるいは受信感度が中央部のセルより低い静電容量型トランスデューサでは、素子端部のセルと中央部のセルの形状が異なる構造となっている。本構成により、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とする一方、各セルの送信効率と受信感度の周波数特性が異なるため、特に超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号も取得してしまい、ＳＮ比が悪化することがある。

本発明は、このような課題認識に基づいてなされたものである。本発明の目的は、静電容量トランスデューサにおけるサイドローブを低減することにある。

本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
間隙を隔てて形成された一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜とを含むセルを、複数有する素子を備えた静電容量型トランスデューサであって、
前記素子の端部のセルにおける前記一対の電極間の距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記一対の電極間の距離より広く、
前記素子の端部のセルにおける前記振動膜のばね定数は、前記素子の中央部のセルにおける前記振動膜のばね定数より小さいことを特徴とする静電容量型トランスデューサである。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
間隙を隔てて形成された一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜とを含むセルを、複数有する素子を備えた静電容量型トランスデューサであって、
前記素子の端部のセルにおける前記一対の電極間の距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記一対の電極間の距離より広く、
前記素子の端部のセルにおける前記振動膜による復元力と静電引力の総和と、前記素子の中央部のセルにおける前記振動膜による復元力と静電引力の総和とが等しい
ことを特徴とする静電容量型トランスデューサである。

本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
複数のセルを有する素子を備えた静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
複数の第一の電極を形成するステップと、
前記複数の第一の電極とそれぞれ対応する複数の第二の電極を含む振動膜を振動可能に形成することにより、一対の前記第一の電極および前記第二の電極からなる前記セルを複数形成するステップと、
を有し、
前記セルを複数形成するステップでは、前記素子の端部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極の距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極の距離より広くなり、かつ、前記素子の端部のセルにおける振動膜のばね定数は、前記素子の中央部のセルにおける振動膜のばね定数より小さくなるように、前記セルの形成を行う
ことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法である。
本発明はまた、以下の構成を採用する。すなわち、
複数のセルを有する素子を備えた静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
複数の第一の電極を形成するステップと、
前記複数の第一の電極とそれぞれ一対となる複数の第二の電極を含む振動膜を振動可能に形成することにより、一対の前記第一の電極および前記第二の電極を備える前記セルを複数形成するステップと、
を有し、
前記セルを複数形成するステップでは、前記素子の端部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離より広くなり、かつ、前記素子の端部のセルにおける振動膜による復元力と静電引力の総和と、前記素子の中央部のセルにおける振動膜による復元力と静電引力の総和とが等しくなるように、前記セルの形成を行う
ことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法である。

本発明によれば、静電容量トランスデューサにおけるサイドローブを低減することができる。

実施例１の静電容量型トランスデューサの上面図およびＡ−Ｂ断面図。 実施例２の静電容量型トランスデューサの上面図およびＡ−Ｂ断面図。 静電容量型トランスデューサの作製方法を説明するＡ−Ｂ断面図。 被検体情報取得装置の構成を説明するブロック図。

以下に図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。ただし、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状及びそれらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

本発明は超音波の静電容量型トランスデューサについてなされたものであり、そのトランスデューサを用いて超音波を送信または受信する装置および方法に適用できる。さらに本発明の対象には、生体等の被検体に超音波を送信し、被検体内部で反射し伝播したエコー波を受信する、超音波エコー技術を利用した装置が含まれる。エコー波に基づくデータ生成により、被検体内部の音響インピーダンスの違いを反映した特性情報を取得できる。

また、本発明の静電容量型トランスデューサは、エコー波の他に、被検体に光源からの光が照射されたときに光音響効果により被検体内部の光吸収体で発生して伝播する光音響波の受信に利用できる。光音響波を解析することにより、被検体内部の機能情報や光学特性情報を取得できる。これらの装置は、受信したエコー波や光音響波に対して信号処理部による処理を行ったのち情報処理装置による解析を行うことで特性情報を得るので、被検体情報取得装置と呼ぶことができる。特性情報を画像データ化して表示部に表示することで、診断等の内部検査が可能になる。

本発明は、被検体情報取得装置の制御方法、あるいは被検体情報取得方法、または音響波測定方法としても捉え得る。さらに、これらの方法をＣＰＵや回路等の情報処理部によって実現するプログラムとしても捉え得る。また、本発明に特徴的な静電容量型トランスデューサの製造方法や、それを用いたプローブの製造方法としても捉え得る。

静電容量型トランスデューサを特性情報の取得に用いる場合、単数または複数の素子を配置した探触子の使用が好適である。また被検体を保持し、探触子を走査するようにすれば、広範囲の測定が可能になる。被検体が乳房であれば、例えば板状部材やお椀状部材を
用いた保持が好適である。
本発明でいう超音波は、音波、弾性波とも呼ばれる音響波の典型例として挙げられたものであり、波長などを限定するものではない。

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。本発明の静電容量型トランスデューサの素子１４は、セル１２が複数形成されている。図１では、静電容量型トランスデューサに含まれる素子数は１であるが、いくつであっても構わない。ここで、素子とは、素子を構成するすべてのセルの信号取り出し電極が共通である、静電容量型トランスデューサの１素子のことである。つまり、この素子単位で電気信号の出力が行われる。また、図１では、素子１４に含まれるセル数は１５であるが、いくつであっても構わない。

セルには、振動膜９が振動可能に支持されている。振動膜９は第二の電極１を含み、第二の電極１は、第一の電極２と間隙３（キャビティ）を挟んで設けられている。図１では、振動膜は第一のメンブレン７と第二のメンブレン８とで第二の電極１が挟まれた構成となっているが、振動膜は振動可能で第二の電極を有していればよく、第二の電極だけあるいは、第一のメンブレンと第二の電極だけの構成でも構わない。後述するが、符号４はエッチング路、符号６は封止部、符号１０は基板、符号１１，１５は第一および第二の絶縁膜である。

第一の電極あるいは第二の電極は、バイアス電圧を印加する電極あるいは電気信号を加えるあるいは電気信号を取り出すための電極として用いる。図１では、バイアス電圧を印加する電極として、第一の電極を用いており、信号取り出し電極として第二の電極を用いているが逆でも構わない。バイアス電圧を印加する電極も素子内で共通となっている。バイアス電圧は素子間で共通となる構成としても構わない。一方、信号取り出し電極は素子ごとに電気的に分離されていなければならない。

図１の静電容量型トランスデューサの素子では、素子の端部のセルの一対の電極間隔は素子の中央部のセルの一対の電極間隔より広くなっている。送信効率あるいは受信感度は、セルの一対の電極間隔が広いほど低くなるため、素子端部のセルの送信効率あるいは受信感度を低くできる。よって、素子の中央部から端部まで、同じ送信効率あるいは受信感度を有する静電容量型トランスデューサと比較して、超音波ビームの再度に発生するサイドローブを低減することができる。従って、超音波ビームの方向に沿ったものではない標的からの超音波信号を低減することができ、高画質な超音波画像を形成できる。

さらに、素子端部のセルの振動膜のばね定数を素子中央部のセルの振動膜のばね定数より小さいものとすることもできる。送信効率あるいは受信感度の周波数特性は、セルの実効的なばね定数で決まる。この実効的なばね定数は、振動膜のばねによる復元力から静電力を引いた力に依存している。本構成の静電容量型トランスデューサでは、素子端部のセルの一対の電極間隔は素子中央部のセルの一対の電極間隔より広くなっているため、素子端部のセルの静電力が素子中央部のセルの静電力より小さくなっている。

本構成のように、素子端部のセルの振動膜のばね定数を素子中央部のセルの振動膜のばね定数より小さいものとすることによって、素子内のすべてのセルの実効的なばね定数を同じにすることができる。すると、素子を構成するすべてのセルの送信効率と受信感度の周波数特性はほぼ同じになる。よって、超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号を取得しないので、ＳＮ比を悪化させることがなく、画質の劣化を防止できる。従って、本構成の静電容量型トランスデューサでは、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とするとともに、ＳＮ比の悪化を低減できるため、高画質な超音波画像を形成できる
。

さらに、素子の端部のセルの振動膜による復元力と静電引力の総和と、素子の中央部のセルの振動膜の復元力と静電引力の総和とが等しい構成とすることもできる。本構成の静電容量型トランスデューサでは、素子内のすべてのセルの実効的なばね定数を同じにすることができ、素子を構成するすべてのセルの送信効率と受信感度の周波数特性は同じになる。よって、超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号を取得しないので、ＳＮ比を悪化させることがなく、画質の劣化を防止できる。従って、本構成の静電容量型トランスデューサでは、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とするとともに、ＳＮ比の悪化を低減できるため、高画質な超音波画像を形成できる。

例えば、振動膜形状が円形の場合、ばねの復元力Ｆ_Ｍは（１）式のように記述できる。
Ｆ_Ｍ＝ｋ_Ｍ・ｘ…（１）
ここで、Ｋ_Ｍは振動膜のばね定数であり、ｘは振動膜の変位量である。
また、静電力Ｆ_Ｅは（２）式のように記述できる。

ここで、ε_０は真空の誘電率、Ｓは振動膜面積、Ｖはバイアス電圧、ｄはバイアス電圧を印加する前の実効距離である。

セルの振動膜の復元力と静電引力の総和は、（３）式のように記述できる。

従って、セルの実効的なばね定数は、（４）式のように記述できる。

素子の端部のセルの振動膜による復元力と静電引力の総和と、素子の中央部のセルの振動膜の復元力と静電引力の総和が「等しい」とは、厳密に同一な場合だけでなく、それぞれの実効的なばね定数が等しい範囲を含む。素子中央部と端部のセルの実効的なばね定数を、右下の添え字にそれぞれｃとｅを加えて記述すると、（５）式のように記述できる。

ここで、ｄ_ｅ＞ｄ_ｃであるので、ｋ_Ｍｅ＜ｋ_Ｍｃとなる。（５）式を満たすように、素子の端部のばね定数と中央部のばね定数を決めると、素子を構成するすべてのセルの送信効率と受信感度の周波数特性は同じにできる。よって、超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号を取得しないので、ＳＮ比を悪化させることがなく、画質の劣化を防止できる。従って、本構成の静電容量型トランスデューサでは、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とするとともに、ＳＮ比の悪化を低減できるため、高画質な超音波画像を形成できる。

本発明の駆動原理を説明する。静電容量型トランスデューサは、信号引き出し配線を用いることで、第二の電極から電気信号を引き出すことができる。本実施の形態では、引き出し配線により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第二の電極から電気信号を引き出しているが、第一の電極から引き出してもよい。

静電容量型トランスデューサで超音波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、直流電圧を第一の電極２に印加し、電極間に電位差を生じさせておく。この場合、第二の電極１はグランド電圧に固定しておくとよい。なお、グランド電圧は、不図示の電流−電圧変換回路（受信回路）が有する直流の基準電位を示す。超音波が入射すると、第二の電極１を有する振動膜９が変形するため、第二の電極１と第一の電極２との間の間隙３の距離が変わり、それに起因して静電容量が変化する。この静電容量変化によって、第二の電極１から電流が出力され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−電圧変換回路によって電圧に変換して、超音波を受信することができる。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、直流電圧を第二の電極に印加し、第一の電極から電気信号を引き出してもよい。また、電流−電圧変換回路は図４のプローブ４０２内に設けることが好ましい。

また、超音波を送信する場合は、第一の電極２と第二の電極１との間に電位差を発生させた状態で、第二の電極１に送信信号として交流電圧（パルス電圧を含む）を印加し、静電気力によって、振動膜９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。送信する場合も、引き出し配線の構成を変更することによって、交流電圧を第一の電極に印加し、振動膜を振動させてもよい。

図３を用いて、本発明の作製方法を説明する。図３は、本発明の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３は、図１のＡ−Ｂ断面図である。

図３（ａ）に示すように、基板６０上に第一の絶縁膜６１を形成する。基板６０はシリコン基板であり、第一の絶縁膜６１は第一の電極との絶縁を形成するために設けられる。基板６０がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜６１は形成しなくともよい。また、基板６０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、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。このばらつきは、送信および受信の感度のばらつきとなるとなる。従って、基板６０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。

次に、第一の電極５１を形成する。第一の電極５１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、第一の電極の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子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、第二の絶縁膜６５を形成する。第二の絶縁膜６５は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極間の電気的短絡ある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、後述する第一のメンブレン層が絶縁体であるため、第二の絶縁膜６５を形成しなくともよい。基板と同様に、第二の絶縁膜の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい第二の絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜等である。

次に、図３（ｂ）に示すように、犠牲層５３を形成する。犠牲層５３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、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子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あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン層、第二の電極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あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン層、第二の電極がほぼエッチングされる場合、振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二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、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきは、各セル間、各素子間の感度ばらつきとなる。第二の絶縁膜、第一のメンブレン層が窒化シリコン膜、あるいはシリコン酸化膜の場合、表面粗さが小さく、第二の絶縁膜、第一のメンブレン層、第二の電極がエッチングされないエッチング液を用いるクロムが望ましい。

次に、図３（ｃ）に示すように、犠牲層８３と犠牲層９３を図３（ｂ）の工程を繰り返すことによって形成する。犠牲層５３は、素子の中央部のセルの間隙を形成するためのものであり、犠牲層８３と犠牲層９３は、それぞれ素子の端部に向かうセルの間隙を形成するためのものである。従って、犠牲層５３は犠牲層８３より薄く、犠牲層８３は犠牲層９３より薄くなっている。

図３（ｄ）から図３（ｆ）まで、第二の電極を含む振動膜の形成と犠牲層除去により間隙を形成する工程を説明する。図３では、振動膜は第一のメンブレン、第二の電極および第二のメンブレンで構成されているが、第二の電極を含めば何層で構成されてもよい。

図３（ｄ）に示すように、第一のメンブレンを含む第一のメンブレン層５７を形成する。第一のメンブレン層５７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。第一のメンブレンが圧縮応力を有する場合、第一のメンブレンがスティッキングある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、第一のメンブレンが破壊されることがある。従って、第一のメンブレン層５７は、低い引張り応力が望ましい。

次に、図３（ｅ）に示すように、第二の電極５２を形成し、さらにエッチング孔（不図示）を形成する。その後、エッチング孔からエッチング路（不図示）を介して、犠牲層５３と犠牲層８３、犠牲層９３を除去する。第二の電極５２は、残留応力が小さく、耐熱性を有する材料が望ましい。第二の電極の残留応力が大きい場合、振動膜の大きな変形を引き起こすため、残留応力の小さな第二の電極が望ましい。また、第二のメンブレン層あるいは封止部を形成するための封止層を成膜する際の温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。

また、第二の電極が露出した状態で犠牲層除去を行う場合、第二の電極を保護するフォトレジスト等を塗布したまま、犠牲層エッチングを行う必要がある。フォトレジスト等の応力によって、第一のメンブレンがスティッキングしやすくなるため、フォトレジストがなく、第二の電極が露出した状態で犠牲層エッチングできるような、エッチング耐性を有する第二の電極が望ましい。スティッキングとは、犠牲層除去後に構造体である振動膜が付着してしまうことである。例えば、チタン、アルミシリコン合金等が望ましい。

次に、図３（ｆ）に示すように、第二のメンブレンを含む第二のメンブレン層５８を形成する。本工程では、第二のメンブレンを形成するとともに、図示しないエッチング孔を封止する封止部を形成する。第二のメンブレン層５８を形成することで、第二のメンブレンを形成して所望のばね定数を有する振動膜を形成するとともに、エッチング孔を封止できる。

本工程のように、エッチング孔の封止工程と第二のメンブレンを形成する工程が同じである場合、振動膜は成膜工程だけで形成することができる。従って、振動膜の厚さを制御しやすく、厚さばらつきによる、振動膜のばね定数のばらつきあるいはたわみのばらつきを抑制することができるため、セル間あるいは素子間の受信あるいは送信感度のばらつきを低減することができる。
エッチング孔の封止工程と第二のメンブレンを形成する工程を別工程とすることもできる。第二のメンブレンを形成してから封止部を形成する、あるいは、封止部を形成してから第二のメンブレンを形成することもできる。

また、第二のメンブレン層は、低い引張り応力を有する材料が望ましい。第一のメンブレンと同様に、第二のメンブレンが圧縮応力を有する場合、第一のメンブレンがスティッキングある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、第二のメンブレンが破壊されることがある。従って、第二のメンブレン層は、低い引張り応力が望ましい。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。

封止部は間隙内に液体や外気が浸入しないようにすればよい。特に、減圧化で封止する場合、大気圧によって振動膜が変形し、第一の電極と第二の電極との距離が短くなる。送信あるいは受信の感度は、第一の電極と第二の電極との実効距離の１．５乗に比例するため、減圧下で封止して、間隙を大気圧より低い圧力にしておくと、送信あるいは受信の感度を向上することができる。実効距離とは、第一の電極と第二の電極とのにある絶縁膜を比誘電率で割った値と間隙とを足し合わせたものである。
本工程の後、図示しない工程により、第一の電極、第二の電極と接続する配線を形成する。配線材料はアルミ等でよい。

このような製造方法によれば、本発明の目的を達成するのに必要な構成を持つ静電容量型トランスデューサを製造できる。
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。本発明の静電容量型トランスデューサの素子１４は、１５個のセル１２で構成される。図１では、静電容量型トランスデューサに含まれる素子数は１であるが、いくつであっても構わない。

セル１２は、第一の電極２と間隙３を挟んで設けられた第二の電極１を含む振動膜９が振動可能に支持されている。振動膜９は第一のメンブレン７と第二のメンブレン８とで第二の電極１が挟まれた構成となっている。第一の電極２をバイアス電圧を印加する電極、第二の電極１を信号取り出し電極としている。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。円形の場合、振動モードが軸対称となるため、不要な振動モードによる振動膜の振動を抑制できる。

シリコン基板１０上の第一の絶縁膜１１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。第二の絶縁膜１５は、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した、０．１μｍ厚さのシリコン酸化膜である。第一の電極は厚さが５０ｎｍのアルミであり、第二の電極４は厚さが１００ｎｍのアルミである。第一のメンブレン７、第二のメンブレン８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する。また、第一のメンブレン７、第二のメンブレン８の直径は、２５μｍであり、それぞれの厚さは、０．４μｍ、０．７μｍである。

図１の静電容量型トランスデューサの素子では、素子の端部のセルの一対の電極間隔は素子の中央部のセルの一対の電極間隔より広くなっている。素子端部のセルの間隙深さは０．２５μｍ、素子中央部のセルに向かって、それぞれの間隙深さは０．２μｍ、０．１５μｍである。本構成によって、送信効率あるいは受信感度は、セルの一対の電極間隔が広いほど低くなるため、素子端部のセルの送信効率あるいは受信感度を低くできる。よって、素子の中央部から端部まで、同じ送信効率あるいは受信感度を有する静電容量型トランスデューサと比較して、超音波ビームの再度に発生するサイドローブを低減することができる。従って、超音波ビームの方向に沿ったものではない標的からの超音波信号を低減することができ、高画質な超音波画像を形成できる。

素子端部のセルの一対の電極間隔は素子中央部のセルの一対の電極間隔より広くなっていればよく、素子端部のセルの間隙深さや第一の絶縁膜厚さ、振動膜厚さが素子中央部のセルの間隙深さや第一の絶縁膜厚さ、振動膜厚さより大きければよい。素子端部のセルの振動膜厚さが素子中央部のセルの振動膜厚さより大きい場合、素子端部のセルの振動膜サイズが素子中央部のセルの振動膜サイズより大きくする。それによって、素子端部のセルの振動膜のばね定数と素子中央部のセルの振動膜のばね定数と同じにすることができ、素子内のすべてのセルの送信効率あるいは受信感度の周波数特性は同じにできる。

素子端部のセルの間隙深さや第一の絶縁膜厚さが、素子中央部のセルの間隙深さや第一の絶縁膜厚さより大きい方が望ましい。本構成では、素子内のすべてのセルの振動膜のサイズを同じにできるので、設計を容易にできる。また、素子内のすべてのセルの放射インピーダンスを同じにでき、素子内のすべてのセルの犠牲層のエッチング時間が同じにできる。
素子の端部のセルの一対の電極間隔や素子の中央部のセルの一対の電極間隔は、形成したい超音波ビームの形状に依存して設計すればよい。例えば、ガウシアンビームにするのであれば、その分布に合わせて、設計すればよい。

また、セルの振動膜形状は、素子内で同じであるため、素子を構成するすべてのセルの送信効率と受信感度の周波数特性はほぼ同じである。よって、超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号を取得しないので、ＳＮ比を悪化させることがなく、画質の劣化を防止できる。従って、本構成の静電容量型トランスデューサでは、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とするとともに、ＳＮ比の悪化を低減できるため、高画質な超音波画像を形成できる。なお、セル形状が「同じ」とは、厳密に形状が同じ場合だけでなく、製造プロセス上の誤差等、セルの変換効率の周波数特性が同じとみなせる程度の誤差を含む。

＜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、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。よって、違う点を中心に説明する。

図２の静電容量型トランスデューサは、第二の電極３１、第一の電極３２、間隙３３、
エッチング路３４、封止部３６、第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３７、振動膜３９、基板４０、第一の絶縁膜４１、セル４２、素子４４、第二の絶縁膜４５を含む。

図２の静電容量型トランスデューサの素子では、素子の端部のセルの振動膜のばね定数は、素子の中央部のセルの振動膜のばね定数より小さい。送信効率あるいは受信感度の周波数特性は、セルの実効的なばね定数で決まる。この実効的なばね定数は、振動膜のばねによる復元力から静電力を引いた力に依存している。本構成の静電容量型トランスデューサでは、素子の端部のセルの一対の電極間隔は素子の中央部のセルの一対の電極間隔より広くなっているため、素子の端部のセルの静電力が素子の中央部のセルの静電力より小さくなっている。

本構成のように、素子の端部のセルの振動膜のばね定数は素子の中央部のセルの振動膜のばね定数より小さい構成とすることによって、素子内のすべてのセルの実効的なばね定数を同じにすることができる。よって、素子を構成するすべてのセルの送信効率と受信感度の周波数特性はほぼ同じになる。よって、超音波を受信する時に不要な周波数帯域の信号を取得しないので、ＳＮ比を悪化させることがなく、画質の劣化を防止できる。従って、本構成の静電容量型トランスデューサでは、サイドローブを低減するアポダイゼーションを可能とするとともに、ＳＮ比の悪化を低減できるため、高画質な超音波画像を形成できる。

以上述べたように、本発明に係る静電容量型トランスデューサでは、素子端部のセルの一対の電極間隔はその素子の中央部のセルの一対の電極間隔より広い。送信効率あるいは受信感度は、セルの一対の電極間隔が広いほど低くなるため、素子端部のセルの送信効率あるいは受信感度を素子中央部のセルの送信効率あるいは受信感度を低くできる。よって、素子の中央部から端部まで、同じ送信効率あるいは受信感度を有する静電容量型トランスデューサと比較して、超音波ビームの再度に発生するサイドローブを低減することができる。従って、超音波ビームの方向に沿ったものではない標的からの超音波信号を低減することができ、高画質な超音波画像を形成できる。

＜応用例＞
上記の静電容量型トランスデューサは、それを用いて音響波を受信または送信するプローブに適用できる。例えば図４において、プローブ４０２は複数の素子４０３を備えている。情報処理部４０６の指令により送信部４０５が送信音響波の制御を行うことで、各素子から音響波が発生する。一方、受信時には、各素子から出力された電気信号が、信号処理部４０４による処理（例えば増幅やＡＤ変換）を施される。

図４は、上記のプローブを被検体情報取得装置の構成要素として用いた様子を示す。
まず特性情報として、被検体４０１の内部の光吸収体が、光源（不図示）からの光を吸収して光音響波を発生させた場合について説明する。このとき光音響波は被検体内部を伝搬し、素子にて受信される。素子から出力された電気信号は信号処理部に入力され、信号処理が施される。情報処理部は、信号処理部から入力された信号に基づき、既知の画像再構成処理により被検体内の初期音圧分布、吸収係数分布などを生成する。また診断の際は、必要に応じてこれらの情報を画像データ化して表示部４０７に表示しても良い。なお、本明細書においては、信号処理部と情報処理部とからなる構成を処理部と称する場合もある。

次に、被検体内部のエコー情報を取得する場合を説明する。このとき送信部が送る制御信号により、各素子から音響波が送信される。被検体内部の音響インピーダンス境界で反射した音響波は再び素子に受信される。素子から出力された受信信号は、光音響波の場合と同様に、既知の信号処理や再構成処理、画像データ化を施される。この反射波を用いる
装置の場合、音響波を送信するプローブは受信するプローブと別に設けても良い。
さらに、光音響波を用いた装置とエコー波を用いた装置の機能を兼ね備えた装置にも、本発明の静電容量型トランスデューサは適用できる。

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プローブを把持して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。特に生体である被検体を機械的走査する場合、被検体を保持手段により保持しておくことで安定的な測定が可能になる。被検体が乳房であれば、板状またはお椀状の保持手段が好適である。

１：第二の電極，２：第一の電極，３：間隙，９：振動膜，１２：セル，１４：素子

Claims (16)

1. 間隙を隔てて形成された一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜とを含むセルを、複数有する素子を備えた静電容量型トランスデューサであって、
   前記素子の端部のセルにおける前記一対の電極間の距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記一対の電極間の距離より広く、
   前記素子の端部のセルにおける前記振動膜のばね定数は、前記素子の中央部のセルにおける前記振動膜のばね定数より小さい
   ことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 間隙を隔てて形成された一対の電極と、前記一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜とを含むセルを、複数有する素子を備えた静電容量型トランスデューサであって、
   前記素子の端部のセルにおける前記一対の電極間の距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記一対の電極間の距離より広く、
   前記素子の端部のセルにおける前記振動膜による復元力と静電引力の総和と、前記素子の中央部のセルにおける前記振動膜による復元力と静電引力の総和とが等しい
   ことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
3. 前記振動膜の形状は、円形、四角形および六角形のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記一方の電極と前記間隙との間に、シリコン酸化膜または窒化シリコン膜が設けられている
   ことを特徴とする請求項１ないし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. 前記一方の電極と異なる他方の電極と、前記間隙との間に、シリコン酸化膜または窒化シリコン膜が設けられている
   ことを特徴とする請求項１ないし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. 前記素子に含まれる複数の前記セルは、互いに同じ形状である
   ことを特徴とする請求項１ないし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. 前記素子に含まれる複数の前記セルにおいて、前記一方の電極が共通である
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 前記素子に含まれる複数の前記セルにおいて、前記一方の電極と異なる他方の電極が共通である
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
9. 前記素子に含まれる複数の前記セルにおいて、前記振動膜のサイズは互いに同じであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
10. 前記素子に含まれる複数の前記セルの放射インピーダンスは互いに同じである
    ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサを備えるプローブ。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
    被検体から伝搬する音響波が前記振動膜に入射することにより前記静電容量型トランスデューサより出力される電気信号を用いて前記被検体内の特性情報を取得する処理部と、を有することを特徴とする被検体情報取得装置。
13. 前記一対の電極に電圧を印加することで前記振動膜を振動させて音響波を送信させる送信部をさらに備え、
    前記音響波は、前記送信された音響波が前記被検体内部で反射したものである
    ことを特徴とする請求項１２に記載の被検体情報取得装置。
14. 光源をさらに備え、
    前記音響波は、前記光源からの光を照射された前記被検体から発生する光音響波であることを特徴とする請求項１２に記載の被検体情報取得装置。
15. 複数のセルを有する素子を備えた静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
    複数の第一の電極を形成するステップと、
    前記複数の第一の電極とそれぞれ一対となる複数の第二の電極を含む振動膜を振動可能に形成することにより、一対の前記第一の電極および前記第二の電極を備える前記セルを複数形成するステップと、
    を有し、
    前記セルを複数形成するステップでは、前記素子の端部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離より広くなり、かつ、前記素子の端部のセルにおける振動膜のばね定数は、前記素子の中央部のセルにおける振動膜のばね定数より小さくなるように、前記セルの形成を行う
    ことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。
16. 複数のセルを有する素子を備えた静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
    複数の第一の電極を形成するステップと、
    前記複数の第一の電極とそれぞれ一対となる複数の第二の電極を含む振動膜を振動可能に形成することにより、一対の前記第一の電極および前記第二の電極を備える前記セルを複数形成するステップと、
    を有し、
    前記セルを複数形成するステップでは、前記素子の端部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離は、前記素子の中央部のセルにおける前記第一の電極と前記第二の電極との距離より広くなり、かつ、前記素子の端部のセルにおける振動膜による復元力と静電引力の総和と、前記素子の中央部のセルにおける振動膜による復元力と静電引力の総和とが等しくなるように、前記セルの形成を行う
    ことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。

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