JPWO2010137528A1 - 超音波トランスデューサおよびそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents
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Abstract
Description
下記の実施の形態の記載では、空洞部に突き出た絶縁膜の突起が好適に配置された超音波トランスデューサを作製するという目的を、超音波診断装置による超音波トランスデューサの駆動電圧と、メンブレン下面が空洞部下面に接触する電圧との大小関係で、突起の配置位置と配置の要否を決定することで実現している。
本実施の形態1における超音波トランスデューサ(CMUT)の構造を図3および図4を参照して説明する。図3は、本実施の形態1における超音波トランスデューサ(CMUT)を示した上面図である。図4(a)は図3のA−A’線で切断した断面図を示しており、図4(b)は図3のB−B’線で切断した断面図を示している。
この手法では、超音波診断装置によるCMUTの駆動電圧V0と、メンブレン下面が空洞部の下面に接触する電圧Vとを比較する。電圧Vは、対象とするメンブレンのサイズの変化によって変化するものであり、CMUTの設計段階で例えば有限要素法(FEM:Finite Element Method)を用いたシミュレーションを行うことにより決定できる。また、試作デバイスについて印加電圧−静電容量測定を行うことにより決定してもよい。設計段階で電圧Vを求めることができ、突起の配置位置を決定できるという点で前者が好適である。
まず、超音波診断装置によるCMUTの駆動電圧V0が、メンブレン中央部のメンブレンの下面215が空洞部の下面214に接触する電圧V1と等しいかそれより大きく、駆動電圧によって、下面215が空洞部の下面214に接触する場合は、メンブレン中央部に突起2061を配置する。
本実施の形態1では、一例として、突起の長さpは80nm、空洞部の厚さgは200nm、メンブレンの中央部から、空洞部のエッジまでの距離d0は100μmであるので、図6から、d1は40μmとなり、突起2061から40μmのところに突起2062を配置してある。
また、図5の突起2062や2063のように、突起と空洞部のエッジで支えられたメンブレンの接触点に突起を配置する場合、図6の曲線によって規定される位置よりもメンブレン中央部寄りに突起を配置した方が、メンブレン下面が空洞下面に接触を抑制するためにはよい。
本実施例のCMUTセルは、図7に示すように、上面から見て、空洞部の形状が矩形であり、下部電極202と、下部電極202上に形成された空洞部204と、空洞部204に突き出て形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜の突起6061、6062、6063、6064と、空洞部204上に形成された上部電極207などを備えて構成される。211は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔211は、空洞部となる204に接続されている。212は下部電極202へ接続する開口部、213は上部電極207へ接続する開口部である。上部電極207と空洞部204の間に、空洞部204および下部電極202を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜205が形成されており、下部電極と空洞部の間に、下部電極を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜203が形成されているが、空洞部204、下部電極202を示すために図示していない。208は、上面からみて、上部電極207が突起6061、6062、6063、6064と重ならないように、上部電極207に設けた開口部である。
前記実施の形態1では、CMUTセル単体における突起配置の形態を示したが、本実施の形態2では、CMUTセルをアレイ状に並べたトランスデューサの形態を示す。
図11に示すトランスデューサでは、エレベーション方向のビーム幅を細くするために、中央に位置する下部電極2022への印加電圧を大きくして、下部電極2021、2023への印加電圧を小さくするので、下部電極2022に重なるCMUTセルの突起の配置数を7つ、下部電極2021、2023に重なるCMUTセルの突起の配置数を5つとしてある。このような構成とすることで、配置する突起の数を必要最低限にすることができ、したがって、電極の配置を絶縁膜の突起と上面からみて重ならないように配置した場合でも、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、受信感度の低下を招くことを抑制できる。
最後に、図12を参照しながら、本発明が適用される超音波診断装置の構成について説明する。図12は、超音波診断装置の構成図である。
本発明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、上下電極間に必要最低限の数の突起を最適な配置で配置してなるトランスデューサを用いたことを特徴としており、駆動電圧によって生じる実効的電界の低下を防止し、送受信感度を向上する等の効果が得られる。
102,204・・・空洞部
103,201,209,210・・・絶縁膜
200・・・半導体基板
203・・・下部絶縁膜
205・・・上部絶縁膜
104,207・・・上部電極
105・・・メンブレン
106・・・メンブレンの下面
107,214・・・空洞部の下面
108・・・メンブレン中心の1個目の突起
109・・・n個目の絶縁膜の突起
110・・・n+2個目の絶縁膜の突起
111・・・n+4個目の絶縁膜の突起
206,2061,2062,2063,6061,6062,6063,6064・
・・ 絶縁膜の突起
208・・・上部電極の開口部
211・・・ウェットエッチング孔
212・・・下部電極への開口部
213・・・上部電極への開口部
215・・・突起部下面を除いたメンブレンの下面
401・・・メンブレン下面と空洞部下面の接触点
1001・・・上部電極を結ぶ配線
1101・・・CMUTチップ
1201・・・超音波診断装置
1202・・・超音波探触子
1203・・・送受分離部
1204・・・送信部
1206・・・バイアス部
1208・・・受信部
1210・・・整相加算部
1212・・・画像処理部
1214・・・表示部
1216・・・制御部
1218・・・操作部
Claims (17)
- 第1電極と、
該第1電極上に形成された下部絶縁膜と、
該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、
該上部絶縁膜上に形成された第2電極と、
を備えた超音波トランスデューサであって、
前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、
前記突起の形成された位置に相当する前記第1電極又は第2電極には、開口部が形成されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項1に記載の超音波トランスデューサにおいて、
少なくとも前記上部絶縁膜と前記第2電極からなるメンブレンの中央部に相当する前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に第1の突起が形成されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項2に記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第1の突起と前記空洞部のエッジとの間に第2の突起が形成されており、
前記第2の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第1の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第1の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項3に記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第2の突起と前記空洞部のエッジとの間に第3の突起が形成されており、
前記第3の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第2の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項3に記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第2の突起と前記空洞部のエッジとの間に第3の突起が形成されており、
前記第3の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第2の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分よりも前記第1の突起側にずれた位置に形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項3に記載の超音波トランスデューサにおいて、
前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第1の突起と前記第2の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合において、前記第1の突起と前記第2の突起の中点にさらに第3の突起が形成されることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 請求項1記載の超音波トランスデューサにおいて、
超音波トランスデューサがアレイ状に配置され、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とする超音波トランスデューサ。 - 複数の超音波トランスデューサが配列したトランスデューサアレイであって、
前記超音波トランスデューサが、請求項1に記載の超音波トランスデューサであることを特徴とするトランスデューサアレイ。 - 請求項8に記載のトランスデューサアレイにおいて、
それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とするトランスデューサアレイ。 - 請求項9に記載のトランスデューサアレイであって、
超音波トランスデューサの配列方向は直交する2次元方向であり、一方の方向に配列した各超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっていることを特徴とするトランスデューサアレイ。 - 被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記超音波探触子から出力される超音波受信信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置であって、
前記超音波探触子は、
第1電極と、該第1電極上に形成された下部絶縁膜と、該下部絶縁膜上に空洞部を形成するように設けられた上部絶縁膜と、該上部絶縁膜上に形成された第2電極と、を備え、前記下部絶縁膜又は前記上部絶縁膜には前記空洞部側に突起が形成され、前記突起の形成された位置に相当する前記第1電極又は第2電極には、開口部が形成されている超音波トランスデューサであることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項11に記載の超音波診断装置において、
少なくとも前記上部絶縁膜と前記第2電極からなるメンブレンの中央部に相当する前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に第1の突起が形成されている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項12に記載の超音波診断装置において、
前記超音波トランスデューサは、
前記第1の突起と前記空洞部のエッジとの間に第2の突起が形成されており、
前記第2の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第1の突起が前記上部絶縁膜又は前記下部絶縁膜に接触し、さらに前記第1の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されていることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項13に記載の超音波診断装置において、
前記超音波トランスデューサは、
前記第2の突起と前記空洞部のエッジとの間に第3の突起が形成されており、
前記第3の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第2の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分に形成されていることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項13に記載の超音波診断装置において、
前記超音波トランスデューサは、
前記第2の突起と前記空洞部のエッジとの間に第3の突起が形成されており、
前記第3の突起は、前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第2の突起と前記空洞部のエッジを結ぶ直線上における前記メンブレンが前記下部絶縁膜と接触する場合において、該接触する部分よりも前記第1の突起側にずれた位置に形成されていることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項13に記載の超音波診断装置において、
前記超音波トランスデューサは、
前記第1電極と第2電極に印加する駆動電圧により、前記第1の突起と前記第2の突起間の前記メンブレンが前記下部絶縁膜に接触する場合において、前記第1の突起と前記第2の突起の中点にさらに第3の突起が形成されていることを特徴とする超音波診断装置。 - 請求項11記載の超音波診断装置において、
超音波トランスデューサがアレイ状に配置され、かつ、それぞれの超音波トランスデューサの突起が異なる配置となっている超音波トランスデューサを用いたことを特徴とする超音波診断装置。
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