KR20140005780A

KR20140005780A - 정전용량형 트랜스듀서, 정전용량형 트랜스듀서 제조 방법 및 피검체 정보취득장치

Info

Publication number: KR20140005780A
Application number: KR1020130076247A
Authority: KR
Inventors: 타카히로 아키야마; 카즈토시 토라시마
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2014-01-15
Also published as: CN106238301B; KR20160042858A; CN103521421A; US20140010388A1; JP2014017565A; EP2682196A1; KR101954102B1; JP5986441B2; KR20170119318A; CN106238301A; US9497552B2; EP2682196B1

Abstract

광대역 주파수특성을 가지는 정전용량형 트랜스듀서를 제공한다. 복수종의 셀을 갖는 엘리먼트를 구비한 정전용량형 트랜스듀서로서, 각 셀은, 제1 전극; 간격을 두고서 상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극을 포함하는 진동막; 및 상기 간격을 형성하도록 상기 진동막을 지지하는 진동막 지지부를 구비한다. 상기 복수종의 셀은, 상기 진동막의 법선방향에서 볼 때 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이 서로 다르다. 상기 복수종의 셀에서의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극끼리가 전기적으로 접속되어 있다.

Description

정전용량형 트랜스듀서, 정전용량형 트랜스듀서 제조 방법 및 피검체 정보취득장치{CAPACITIVE TRANSDUCER, CAPACITIVE TRANSDUCER MANUFACTURING METHOD, AND OBJECT INFORMATION ACQUISITION APPARATUS}

본 발명은, 초음파 변환기등으로서 사용되는 정전용량형 트랜스듀서와, 그 정전용량형 트랜스듀서 제조 방법에 관한 것이다.

초음파를 송신 및 수신하도록 설계된 초음파 변환기는, 예를 들면 생체내의 종양 등을 진단하는 진단 장치에 이용되고 있다. 최근, 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 사용한 정전용량형 트랜스듀서(정전용량형 초음파 변환기: CMUT)가 개발되고 있다. ＣＭＵＴ는, 종래의 압전소자를 이용한 초음파 변환기와 비교하여, 광대역특성을 용이하게 얻는 점과, 진동모드가 적게 저노이즈인 점이 뛰어나다. 이 ＣＭＵＴ의 특징은, 경량의 진동막을 사용해서 초음파, 음파 및 광음향파등의 음향파(이하, 초음파로 대표하는 경우도 있다)를 송신 혹은 수신하는 것이다. 이 ＣＭＵＴ를 이용하여, 종래의 의료용 진단 기구와 비교하여 정밀한 초음파 진단을 행하는 이러한 유망한 기술이 주목받고 있다.

상기 기술로서, 용수철 정수가 높은 진동막을 가지는 셀과 용수철 정수가 낮은 진동막을 가지는 셀을 포함하는, 광대역특성(넓은 주파수영역에서 비교적 높은 전기기계 변환비율을 가지는 특성)을 실현하는 정전용량형 트랜스듀서가 제안되어 있다(미국 특허 제5,870,351호 참조). 용수철 정수가 높은 복수의 셀로 구성된 셀 그룹과 용수철 정수가 낮은 복수의 셀로 구성된 셀 그룹을 갖는, 광대역특성을 실현하는 또 다른 정전용량형 트랜스듀서도 제안되어 있다(미국 특허공개 2007/0059858호 참조).

상기와 같은 정전용량형 트랜스듀서에 있어서의 광대역화는, 용수철 정수가 다른 복수의 진동막을 가지는 복수의 셀을 사용함으로써 달성된다. 이에 따라, 상기 정전용량형 트랜스듀서는, 면적이 다른 복수의 진동막을 가지는 복수의 셀을 포함하는 것이 일반적이다.

정전용량형 트랜스듀서는, 예를 들면 희생층 에칭 기술을 중심으로 하는 표면 마이크로머시닝 기술을 사용하여서 제조된다. 그렇지만, 표면 마이크로머시닝 기술에서는, 희생층 에칭후의 건조 공정에서, 나중에 진동막이 되는 박막부분이, 희생층을 에칭하여서 형성된 간격의 밑면에 부착되기도 한다. 정전용량형 트랜스듀서가 제조될 수 있는 경우에도, 응력에 의해 진동막이 휘기 쉽고, 특히 면적이 큰 진동막은 용수철 정수가 낮기 때문에 휘기 쉽다. 진동막의 응력분포에 따라, 진동막은, 평탄하지 않게 휘어 성능을 저하시킨다. 광대역특성을 갖고 전기기계 변환 비율이 높은 정전용량형 트랜스듀서를 실현하기 위한 과제는, 1개의 소자 내에 전기기계 변환 비율의 주파수특성이 다른 복수의 셀을 균일하게 제조해서 디바이스를 구성하는 것이다.

상기 과제를 감안하여, 본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서는, 제1 전극; 간격을 두고서 상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극을 포함하는 진동막; 및 상기 간격을 형성하도록 상기 진동막을 지지하는 진동막 지지부로 구성되는 셀을 복수종 갖는 엘리먼트를 구비한다. 그 복수종의 셀은, 진동막의 법선방향에서 볼 때 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이 서로 다르다. 복수종의 셀에서의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극끼리가 전기적으로 접속되어 있다.

본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예 및 예시 1에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예 및 예시 2에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 설명하는 도면이다.
도 3a, 3b, 3c, 3d, 3e 및 3f는 본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서의 제조 방법의 예를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 사용하여서 피검체 정보를 취득하는 장치의 예를 설명하는 도면이다.

본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서의 특징은, 광대역특성을 실현하기 위해서, 진동막의 법선방향에서 볼 때 간격의 면적에 대한 제1 전극 또는 제2 전극의 면적의 비율이 서로 다른 복수종(2종류 또는 3종류이상)의 셀을 설치하는데 있다. 이러한 구조의 특징에 의해, 복수종의 셀의 구조를 여러 가지로 설계할 수 있다. 예를 들면, 제조공정을 쉽게 하기 위해서, 복수종의 셀의 진동막은 용수철 정수를 같게 형성될 수 있다. 또한, 복수종의 셀의 진동막은 용수철 정수를 다르게 형성될 수 있어, 진동막의 용수철 정수가 큰 셀의 상기 비율은, 진동막의 용수철 정수가 작은 셀의 상기 비율보다 커도 된다. 이 구조의 예는 도 1a 및 1b에 설명되고, 복수종의 셀은 풀인(pull-in) 전압을 서로 가깝게 형성될 수 있다. 여기서 사용된 것과 같은 풀인 전압이란, 진동막의 북원력보다 정전인력의 쪽이 커져서 진동막이 상기 간격 저면에 접촉하는, 제1 전극과 제2 전극 사이의 인가 전압을 말한다. 풀인 전압이상의 전압을 인가하면, 진동막이 간격 저면에 접촉한다. 또한, 복수종의 셀의 진동막의 면적을 다르게 해, 진동막의 면적이 작은 셀의 상기 비율은, 진동막의 면적이 큰 셀의 상기 비율보다 커도 된다. 이러한 구조에서도, 풀인 전압을 서로 가깝게 설정할 수 있다. 또한, 복수종의 셀의 진동막의 두께를 다르게 해, 진동막의 두께가 두꺼운 셀의 상기 비율은, 진동막의 두께가 얇은 셀의 상기 비율보다도 커도 된다. 이 구조의 일례는 도 2에서 설명된다. 이러한 구조에서도, 복수종의 셀은, 풀인 전압을 서로 가깝게 형성될 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 구조에 의하면, 예를 들면 복수종의 셀의 진동막의 용수철 정수, 면적, 또는 두께가 같거나 또는 가까운 경우도, 감도의 광대역화를 실현할 수 있다. 이러한 경우, 모든 셀의 진동막의 용수철 정수, 면적, 또는 두께가 가까우므로, 용이하게 균일하게 제조할 수 있다. 한편, 복수종의 셀의 진동막의 용수철 정수, 면적, 또는 두께가 다른 경우도, 복수종의 셀간에 상기 비율을 적당하게 다르게 함으로써, 예를 들면 복수종의 셀의 풀인 전압을 서로 가깝게 함으로써, 송신 감도 또는 수신 감도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 공통의 전압인가부를 사용하는 경우도 송신 감도 또는 수신 감도의 저감을 막을 수 있다. 풀인 전압의 차이에 따라 복수종의 셀에 대하여 별개의 전압인가부를 사용해도 된다는 것을 알아야 한다. 이상과 같이, 본 발명의 정전용량형 트랜스듀서에서는, 수신시 또는 송신시의 주파수 대역폭을 증가시킬 수 있고, 상기 비율을 적당하게 설계함으로써 송신 감도 또는 수신 감도를 향상시킬 수도 있다.

이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부도면을 참조하여 설명한다. 도 1a는 본 실시예에 따른 정전용량형 트랜스듀서(1)의 평면도이며, 도 1b는 도 1a의 선1B-1B를 따라 자른 단면도다. 본 실시예에 따른 정전용량형 트랜스듀서(1)는 2개의 셀 그룹(2, 3)을 구비한다. 셀 그룹 2는 복수의 셀 4를 구비하고, 셀 그룹 3은 복수의 셀 5를 구비한다. 상기 셀 그룹(2, 3)은, 서로 전기적으로 접속되고, 2개의 셀 그룹은 1개의 엘리먼트(6)를 구성하고 있다. 이 엘리먼트(6)는 도 1a에는 1개밖에 보이고 있지 않지만, 정전용량형 트랜스듀서(1)는 엘리먼트(6)를 복수 갖는 어레이 소자를 구비하여도 된다. 도 1a에서, 셀 4와 5는, 정방격자 모양으로 배치되어 있지만, 스태거 형상(staggered mannner) 또는 임의의 다른 형상으로 배치되어도 된다.

셀4, 5는, 각각, 기판(7) 위에 형성된 공통의 제1 전극(8), 희생층 에칭에 의해 형성된 간격(9, 10), 진동막(13, 14), 및 상기 진동막(13, 14)을 지지하는 지지부(15, 16)를 구비한다. 상기 진동막(13, 14)은, 각각, 간격을 두고서 제1 전극(8)과 대향하는 제2 전극(11, 12)을 구비한다. 도 1a 및 1b에서, 상기 진동막(13, 14)은, 진동막의 법선방향에서 볼 때 원형이지만, 사각형, 육각형, 타원형등이어도 좋다. 기판(7)은, 일반적인 집적회로나 일반적인 광 디바이스를 제조하기 위해서 사용되는 웨이퍼이어도 되고, 예를 들면 실리콘(Ｓｉ), 갈륨 비소(ＧａＡｓ), 유리(ＳｉＯ₂), ＳｉＣ, 또는 실리콘-온(on)-인슐레이터(ＳＯＩ)이어도 된다. 제1 전극(8) 및 제2 전극(11, 12)은 금속박막이면 좋고, 예를 들면 Ａｌ, Ｔｉ, Ｃｏ, Ｃｕ, Ｍｏ, W나, 그 화합물인 ＡｌＳｉ, ＡｌＣｕ, ＡｌＳｉＣｕ, ＴｉＷ, ＴｉＮ, 및 ＴｉＣ, 또는 이것들의 적층이어도 된다. 제1 전극(8)은, 기판(7)과는 절연되어 있어도, 또는 기판(7)이 전기적으로 도전재로 제조되면 그 기판(7)에 접속되어도 된다. 기판(7)은 제1 전극(8)과 일체이어도 되고, 예를 들면 실리콘(Ｓｉ) 기판 자체는 제1 전극(8)으로서 기능하도록 사용되어도 된다.

정전용량형 트랜스듀서(1)의 셀4, 5에서, 상기 제1 전극(8)과 제2 전극(11, 12)이 각각 전기적으로 접속되고, 상기 제1 전극(8)과 제2 전극(11, 12)이 절연막(17, 18)에 의해 서로 절연되어 있다. 2개의 절연막(17, 18) 중 어느 한쪽은 생략되어도 된다. 정전용량형 트랜스듀서(1)에서, 진동막(13, 14)에 의해 정전용량이 시간에 따라 변동한다. 진동막(13, 14)을 주기적으로 진동시킬 때, 음향파가 발생한다. 음향파를 수신하면, 진동막(13, 14)이 진동하여, AC전류가 발생한다.

진동막(13, 14)은, 각각, 도 1b에서는 제2 전극(11, 12)을 포함하는 3층 구조이지만, 제2 전극(11, 12)이외의 부품의 재료의 예들은, 질화 실리콘, 다이아몬드, 탄화 실리콘, 산화 실리콘 및 폴리실리콘이 있다. 도시하지 않았지만, 제1 전극(8)과 제2 전극(11, 12)의 사이에 전압(DC전압이나 AC전압)을 인가하기 위한 전압인가부가 설치된다.

상기 본 발명의 목적을 달성하는 본 실시예에서는, 셀 그룹2에 존재하는 셀의 제2 전극 11의 면적(진동막의 법선방향에서 본 면적; 이하 같음)과 간격 9의 면적간의 비율이, 셀 그룹3에 존재하는 셀의 제2 전극 12의 면적과 간격 10의 면적의 비율과 다르다. 1개의 엘리먼트(6)의 내부에 존재하는 셀은 전기기계 변환 특성이 균일한 것이 바람직하다. 이것은, 진동막이 동위상으로 동작할 때 상기 전기기계 변환 비율이 최대가 되기 때문이다. 본 실시예를 포함하는 본 발명에서는, 셀 그룹2와 셀 그룹3은, 간격 9, 10의 면적과 제2 전극(11, 12)의 간격상의 면적간 비율에 차이가 있도록 형성됨으로써, 전기기계 변환의 주파수특성을 바꾸어서 광대역화를 실현한다. 이와 아울러, 적당하게 설계함으로써, 모든 셀의 전기기계 변환 특성을 거의 균일하게 하여, 전기기계 변환 비율을 향상시킬 수도 있다.

예를 들면, 간격(9, 10)의 면적과 진동막(13, 14)의 구조가 같을 경우, 제2 전극(11, 12)의 면적이 다르면, 전극간에 같은 전압을 걸었을 때에 정전기력에 의해 생긴 부의 스티프니스가 생긴다. 그 때문에, 전압을 인가했을 때 진동막(13, 14)의 기계적 임피던스가 서로 다르다. 그 결과, 셀 그룹2와 셀 그룹3 사이에서 다른 주파수특성을 얻으므로, 광대역특성을 달성한다.

진동막(13, 14)의 용수철 정수에 차이가 있으면, 광대역특성을 얻는 효과는 보다 개선된다. 셀에 인가되는 전압의 최적값은 진동막의 용수철 정수와 전극면적에 의존한다. 셀의 전기기계 변환 특성이 균일할 때, 인가전압은 진동막이 간격 저면에 접촉하는 전압(풀인 전압)보다도 10% 내지 20% 작은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 이것은, 인가전압이 커질수록 전기기계 변환 특성은 향상하지만, 그 인가전압이 풀인 전압에 지나치게 가까우면 셀의 특성 변동으로 인해 동작이 불안정해지기 때문이다.

"용수철 정수"는, 정전기력에 의해 생긴 제1 전극과 제2 전극이 마주 보는 영역의 평균 변위로서 정의된다. 그 용수철 정수를 k, 정전용량을 C, 진동막의 전극이 마주 보는 영역("전극부분"이라고도 기재한다)의 평균 변위를 x, 및 제1 전극과 제2 전극의 사이의 전위차를 V라고 하면, 용수철 정수 k는 이하의 식 1의 관계로 나타낼 수 있다.

k=(V²/2)·((∂C/∂x)/ｘ) (식 1)

전극의 면적이 작아질수록, 바이어스 전압에 기인한 정전기력으로 인해 진동막에서 보다 큰 변위가 일어난다. 한편, 전극의 면적이 작아질수록, 정전기력이 보다 작아진다. 그 전극의 면적이 커질수록, 진동막의 지지부에 근방에서 보다 작은 변위가 일어난다. 이에 따라서, 전극면적과 용수철 정수간의 관계는, 극값을 갖는 볼록 하향 함수다. 어떻든 간에, 전극의 면적을 바꾸는 것 만으로 용수철 정수가 바뀌고, 간격 면적에 대한 전극면적이 다른 복수종의 셀이 하나의 엘리먼트에 설치되면, 상기 대역이 증가된다. 그렇지만, 전극면적이 작아질수록 전기기계 변환 비율이 작아지므로, 전극면적은 간격부분의 면적의 50%이상인 것이 바람직하다.

진동막(13, 14)의 용수철 정수에 차이를 내는 일부의 구조를 고안할 수 있다. 진동막(13, 14)의 두께가 달라도 되거나, 간격 9, 10에 대한 진동막(13, 14)의 면적이 달라도 된다. 또한, 상기 셀들 중 한쪽의 셀의 진동막(13) 상에만 또 다른 재료를 부가하여도 된다. 또한, 지지부(15, 16)의 면적을 다르게 바꾸어도 된다.

이상의 설명에서는, 간격 면적에 대한 제2 전극(11, 12)의 면적비율에 대해서 서술하고 있다. 그렇지만, 제1 전극(8)의 간격(9, 10)에 대한 면적비율이 다른 경우에서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이하, 도 3a∼3f를 참조하여, 본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서의 제조 방법의 예를 설명한다. 기판(31) 위에, 도체의 성막, 포토리소그래피, 및 패터닝에 의해, 제1 전극(32)을 형성한다(도 3a). 이 경우에, 제1 전극(32)과 기판(31)은 전기적으로 연결되거나, 서로 절연되어도 된다.

기판(31)과 제1 전극(32)을 절연시키는 경우에는, 제1 전극(32)을 형성하기 전에, 절연막을 형성한다. 도 1b에 나타낸 간격(9, 10)과 그 위에 형성된 멤브레인은 두께 변동이 적게 평활한 것이 요구되므로, 기판(31), 제1 전극(32)등은 평활한 것이 요구된다. 간격(9, 10)의 높이는 100 내지 300나노미터정도이기 때문에, 평활도는 1∼2나노미터정도인 것이 바람직하다.

절연막(34)을 형성한다. 이 절연막(34)은, 예를 들면, 플라즈마 강화 화학기상증착(ＰＥＣＶＤ)으로 형성되고 두께가 50 내지 150나노미터인 산화 실리콘막이다. 이 절연막(34)을 항상 형성할 필요는 없다. 다음에, 제1 전극(32) 위에, 성막, 포토리소그래피, 및 패터닝에 의해 희생층(33)을 형성한다(도 3b). 그 희생층과 절연막에도 상기와 마찬가지로 높은 평활성이 요구된다. 희생층이 캐비티 형상을 결정하는 사실을 고려하여, 희생층(33)의 재료는, 주위의 재료에 대한 가공 선택비가 양호하고, 패터닝 변동이 작은 것이 필요하다. 희생층(33)의 두께가 도 1b의 간격(9, 10)의 높이를 결정한다. 따라서, 전술한 것처럼 상기 희생층(33)은 두께 분포가 작고 평활한 것이 요구된다. 희생층(33)의 재료의 예들로서는, 크롬, 몰리브덴, 알루미늄, 그것들의 화합물, 아모포스(amorphous) 실리콘, 및 산화 실리콘이 있다.

희생층(33) 위에 제1 멤브레인(35)을 형성한다(도 3c). 이어서, 도체를 성막에 의해 형성하고, 포토리소그래피 및 패터닝을 함에 따라서, 제2 전극(36)을 형성한다(도 3d).

제1 멤브레인(35)에 구멍(37)을 형성하여, 희생층(33)의 일부를 노출시킨다. 희생층(33)을 에칭하여, 간격(38)을 형성한다(도 3e). 이 경우, 제1 멤브레인(35)의 용수철 정수가 지나치게 작으면, 제1 멤브레인(35)이 간격(38)의 하면에 부착될 가능성이 있다. 또한, 희생층 에칭 공정이 완료한 후에도, 제1 멤브레인(35)은, 제1 멤브레인에 걸리는 응력에 의해 크게 휘어지기도 하고, 그 성능이 저하하기도 한다. 본 발명에 의하면, 간격 면적 에 대한 전극면적의 비율을 바꾸어서 광대역화를 실현하고, 그에 따라, 도 1b의 진동막(13, 14)의 용수철 정수간의 차이를 작게 할 때도, 상기 트랜스듀서 제조시의 리스크를 저감할 수 있다.

그 후에, 구멍(37)을 밀봉함과 동시에, 제2 멤브레인(39)을 형성한다(도 3f). 제1 멤브레인, 제2 전극(36) 및 제2 멤브레인이 함께 진동막을 구성한다. 이러한 제조 방법은 다음과 같이 변형되어도 된다. 제2 전극(36)을 형성한 후에, 제2 멤브레인을 형성하고, 그 제2 멤브레인과 제1 멤브레인에 구멍을 형성한다. 그 후, 희생층을 에칭하고, 상기 구멍을 밀봉한다. 본 발명의 제조 방법에 의해 정전용량형 트랜스듀서를 제조함으로써, 주파수 대역폭의 넓은 송/수신특성을 실현할 수 있다. 또한, 간격 면적에 대한 전극면적의 비율을 조정함으로써, 주파수특성이 다른 셀간에서 풀인 전압을 서로 가깝게 설정할 수 있음에 따라서, 공통의 전압인가부를 사용할 때도 모든 셀의 전기기계 변환 비율을 높일 수 있다.

이하, 보다 구체적인 예시들에 의해 본 발명을 상세하게 설명한다.

(예시 1)

이제, 본 발명의 예시 1에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 설명한다. 도 1a 및 1b는 예시 1을 나타낸다. 셀 그룹2는 8개의 셀4를 포함하고, 셀 그룹3은 8개의 셀5를 포함하지만, 그 셀의 수는 이것에 한정되지 않는다. 그렇지만, 한쪽의 셀 그룹의 셀수가 지나치게 많으면, 광대역화의 효과가 감소되기 때문에, 셀 그룹2, 3의 점유 면적이 가능한 한 같은 것이 바람직하다.

도 1a에 나타나 있는 바와 같이, 이종의 셀에서의 진동막(13, 14) 또는 간격(9, 10)의 형상을 원형이라고 하면, 그 직경은 20 내지 50마이크로미터다. 도 1a 및 1b에서는 간격 9의 직경이 간격 10의 직경보다도 크지만, 서로 같아도 된다. 이 경우에, 제2 전극 11의 간격 9에 대한 면적비율은, 제2전극 12의 간격 10에 대한 면적비율보다 작다. 따라서, 간격 9와 간격 10의 면적이 같은 경우에는, 제2 전극 11은 제2 전극 12보다 작다. 도 1a에서 제2 전극(11, 12)은 원형과 결선으로 도시되어 있다. 그렇지만, 제2 전극(11, 12)은, 항상 원형일 필요는 없고, 사각형, 다각형 등이어도 된다.

셀 그룹(2)의 셀(4)은, 300마이크로미터 두께의 열산화된 실리콘 단결정 기판(7) 위에 형성되어 있다. 열산화막은, 도면에는 나타내지 않았지만, 그 두께는 100나노미터 내지 2마이크로미터다. 기판(7) 위에, 성막과 패터닝에 의해 제1 전극(8)이 형성된다. 셀(4)은, 제1 전극(8) 위에, 간격(9), 제2 전극(11)을 포함하는 진동막(13), 및 지지부(15)를 형성하여서 구성된다. 간격(9) 또는 지지부(15)와 제1 전극(8)과의 사이에 절연막(17)이 형성됨에 따라서, 제1 전극(8)을 제2 전극(11)과 절연하고 있다. 이 절연막은 ＰＥＣＶＤ로 형성된 산화 실리콘막으로, 두께는 100나노미터다. 제1 전극(8)은 두께 50나노미터의 티타늄으로 제조되고, 제2 전극(11)은 두께 100나노미터의 알루미늄으로 제조된다. 진동막(13)은 제2 전극(11)이외의 질화 실리콘막이며, ＰＥＣＶＤ로 형성된다. 제2 전극(11) 아래의 진동막(13)의 두께는 400나노미터이고, 이 부분은 제1 전극(8)에 대한 절연막(18)도 겸하고 있다. 한편, 제2 전극(11)의 상부의 질화 실리콘막의 두께는 1000나노미터다. 이 질화 실리콘막은 200ＭＰａ이하의 인장응력으로 형성한다.

상기 구조에 있어서, 예를 들면 간격(9)의 직경은 36마이크로미터이고, 제2 전극(11)의 직경은 30마이크로미터다. 풀인 전압은 150V다. 진동막(13)의 용수철 정수는 37ｋＮ/m이다. 상술한 것처럼, "용수철 정수"는, 정전기력에 의해 생긴 진동막의 전극부분의 평균 변위에 의거하여 산출된다. 예시 1에서, 전극부분의 면적은 간격부분 상부에 형성된 제2 전극의 면적에 해당한다.

다른 쪽의 셀5에서, 간격(10)의 직경이 36마이크로미터이고 제2 전극(12)의 직경이 35마이크로미터일 때, 셀4, 5의 전극면적이 같은 경우와 비교해서 상기 대역이 증가된다. 이 경우에, 진동막 14의 용수철 정수는 64ｋＮ/m이며, 셀(4)의 진동막 13의 용수철 정수(37ｋＮ/m)보다 크다. 셀4, 5의 진동막의 크기가 다른 경우에, 전극면적과 간격면적간의 비율을 바꾸어서 광대역화의 효과를 개선할 수 있다. 예를 들면, 셀(5)에서, 간격 10의 직경이 34마이크로미터이고, 제2전극(12)의 직경이 33마이크로미터일 때, 풀인 전압은 174V가 되고, 진동막(14)의 용수철 정수는 70ｋＮ/m이 되어서, 주파수 대역폭이 증가한다.

예시 1에서는, 셀 그룹간에, 진동막의 용수철 정수를 다르게 하고, 간격면적에 대한 전극면적의 비율이 달라지므로, 광대역특성을 가지는 정전용량형 트랜스듀서를 실현할 수 있다.

(예시 2)

이제, 본 발명의 예시 2에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 설명한다. 예시 2는 예시 1의 변형이다. 도 2는 도 1b와 같은 단면을 나타내는 예시 2를 나타낸 것이다. 셀 그룹(2)의 셀(4)의 구조는 예시 1과 같다.

셀(105)에서, 간격 110의 직경은 간격 9와 같고, 제2 전극 112의 직경은 예시 1의 제2 전극 12와 같다. 진동막(114)의 구조는, 제2 전극 112 아래의 두께가 400나노미터이다는 점에서 셀4와 같지만, 제2 전극의 상부의 질화 실리콘막의 두께가 1100나노미터이다는 점에서 다르다. 이 경우에, 진동막 114의 용수철 정수는 77ｋＮ/m이며, 진동막 13의 용수철 정수(37ｋＮ/m)보다 크다. 이렇게 해서, 예시 1과 마찬가지로 광대역화 된다.

셀(105)의 제2 전극(112) 위에 질화 실리콘막의 두께를 예를 들면 다음의 방법으로 달라진다. 셀 그룹(2) 위에 금속막을 형성하고, 그 위에 ＰＥＣＶＤ에 의해 질화 실리콘을 형성한다. 그 후에, 셀 그룹(3) 위의 영역만 포토레지스트로 보호하고, 질화 실리콘막을 에칭한다. 이 경우에, 상기 금속막을 에칭되지 않는 재료로 제조하면, 셀 그룹(2)은 보호된다. 그 후에, 포토레지스트를 제거하고, 금속막을 제거함에 따라서, 도 2의 구조를 제조한다.

예시 2에 의하면, 셀 그룹간에, 진동막의 두께를 다르게 해, 간격면적에 대한 전극면적의 비율이 달라지므로, 광대역특성을 가지는 정전용량형 트랜스듀서를 실현할 수 있다.

(예시 3)

상기 실시예나 예시들에서 설명한 정전용량형 트랜스듀서를 구비하는 탐촉자는, 음향파를 사용한 피검체 정보취득장치에 적용할 수 있다. 피검체로부터의 음향파를 정전용량형 트랜스듀서로 수신하고, 출력되는 전기신호를 사용하여, 광흡수계수등의 피검체의 광학특성값을 반영한 피검체 정보를 취득한다.

도 4는, 광음향 효과를 이용한 예시 3의 피검체 정보취득장치를 나타낸 것이다. 펄스 형태로 광을 발생하는 광원(151)으로부터 발생한 펄스 광(152)은, 렌즈, 미러 또는 광파이버 등의 광학부재(154)를 통하여, 피검체(153)에 조사된다. 피검체(153)의 내부에 있는 광흡수체(155)는, 펄스 광의 에너지를 흡수하여, 음향파인 광음향파(156)를 발생한다. 본 발명의 광대역특성을 가지는 정전용량형 트랜스듀서를 수납하는 케이싱을 구비하는 탐촉자(157)는, 광음향파(156)를 수신해서 전기신호로 변환하여, 신호 처리부(159)에 출력한다. 신호 처리부(159)는, 입력된 전기신호에 대하여, A/D변환과 증폭 등의 신호 처리를 행하여, 데이터 처리부(150)에 출력한다. 데이터 처리부(150)는, 입력된 신호를 사용해서 피검체 정보(광흡수계수등의 피검체의 광학특성값을 반영한 피검체 정보)를 화상 데이터로서 취득한다. 표시부(158)는, 데이터 처리부(150)로부터 입력된 화상 데이터에 의거하여 화상을 표시한다. 탐촉자는, 기계적으로 주사하도록 구성되어도 되거나, 의사나 기사등의 유저가 피검체에 대하여 이동시키도록 구성(핸들형)되어도 된다. 본 발명의 전기기계 트랜스듀서인 정전용량형 트랜스듀서는, 음향파가 조사된 피검체로부터의 음향파를 검출하는 피검체 진단 장치에서 사용될 수도 있다. 이 경우에서도, 피검체로부터의 음향파를 정전용량형 트랜스듀서로 검출하고, 변환된 신호를 신호 처리부로 처리 함으로써, 피검체 내부의 정보를 취득한다. 이 경우에, 본 발명의 정전용량형 트랜스듀서는, 피검체를 향해서 음향파를 발신하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서는, 생체등의 측정 대상내의 정보를 취득하는 광 이미징 장치나, 종래의 초음파 진단장치등에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서는, 초음파 탐상기를 포함한 다른 응용에도 적용 가능하다.

본 발명에 따른 정전용량형 트랜스듀서는, 전극면적과 간격면적과의 비율이 다른 복수종의 셀이 전기적으로 병렬 접속되어서 구성된다. 따라서, 전기기계 변환 비율의 주파수특성이 다른 복수종의 셀을 포함하므로 넓은 수신시의 주파수 대역폭 또는 송신시의 주파수 대역폭을 갖는 정전용량형 트랜스듀서를, 그때마다의 요구에 따라, 유연한 설계로 실현할 수 있다.

본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예와 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims

복수종의 셀을 갖는 엘리먼트를 구비한 정전용량형 트랜스듀서로서, 각 셀은,
제1 전극;
간격을 두고서 상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극을 포함하는 진동막; 및
상기 간격을 형성하도록 상기 진동막을 지지하는 진동막 지지부를 구비하고,
상기 복수종의 셀은, 상기 진동막의 법선방향에서 볼 때 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이 서로 다르고,
상기 복수종의 셀에서의 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극끼리가 전기적으로 접속되어 있는, 정전용량형 트랜스듀서.
제 1 항에 있어서,
상기 복수종의 셀의 진동막 각각의 용수철 정수가 동일한, 정전용량형 트랜스듀서.
제 1 항에 있어서,
상기 복수종의 셀의 진동막 각각의 용수철 정수가 서로 다르고,
상기 진동막의 용수철 정수가 큰 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이, 상기 진동막의 용수철 정수가 작은 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율보다 큰, 정전용량형 트랜스듀서.
제 1 항에 있어서,
상기 복수종의 셀의 진동막 각각의 면적이 서로 다르고,
상기 진동막의 면적이 작은 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이, 상기 진동막의 면적이 큰 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율보다 큰, 정전용량형 트랜스듀서.
제 1 항에 있어서,
상기 복수종의 셀의 진동막 각각의 두께가 서로 다르고,
상기 진동막이 두꺼운 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율이, 상기 진동막이 얇은 셀의 상기 간격의 면적에 대한 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극의 면적의 비율보다도 큰, 정전용량형 트랜스듀서.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 정전용량형 트랜스듀서;
각 셀의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과의 사이에 전압을 인가하는 전압인가부; 및
상기 정전용량형 트랜스듀서로부터 출력된 신호를 처리하는 신호 처리부를 구비하고,
상기 정전용량형 트랜스듀서로 음향파를 수신하고, 전기신호로 변환된 신호를 상기 신호 처리부로 처리함으로써 피검체의 정보를 취득하는, 피검체 정보취득장치.
제 6 항에 있어서,
광을 발생하는 광원을 더 구비하고,
상기 광원에서 발생해서 피검체를 조사하는 상기 광에 의해 생긴 음향파를 상기 정전용량형 트랜스듀서로 수신하고, 전기신호로 변환된 신호를 상기 신호 처리부로 처리함으로써 피검체의 정보를 취득하는, 피검체 정보취득장치.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 따른 정전용량형 트랜스듀서를 제조하는 방법으로서,
상기 복수종의 셀의 제1 전극을 형성하는 공정;
상기 제1 전극 위에, 상기 복수종의 셀 각각의 간격을 형성하기 위해 희생층을 형성하는 공정;
상기 희생층 위에, 상기 복수종의 셀 각각의 진동막의 적어도 일부를 형성하는 공정; 및
상기 희생층을 제거하는 공정을 포함하고,
상기 희생층을 형성하는 공정과 상기 진동막의 적어도 일부를 형성하는 공정은, 상기 복수종의 셀 각각의 간격을 형성하는 상기 희생층의 면적에 대한 상기 복수종의 셀 각각의 제2 전극의 면적의 비율을 다르게 설정하는 것을 포함하는, 정전용량형 트랜스듀서의 제조 방법.