TWI599231B - 超音波轉換器元件晶片、探針、電子機器及超音波診斷裝置 - Google Patents

超音波轉換器元件晶片、探針、電子機器及超音波診斷裝置 Download PDF

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TWI599231B
TWI599231B TW102110755A TW102110755A TWI599231B TW I599231 B TWI599231 B TW I599231B TW 102110755 A TW102110755 A TW 102110755A TW 102110755 A TW102110755 A TW 102110755A TW I599231 B TWI599231 B TW I599231B
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Description

超音波轉換器元件晶片、探針、電子機器及超音波診斷裝置
本發明係關於一種超音波轉換器元件晶片及利用其之探針、以及利用上述探針之電子機器及超音波診斷裝置等。
例如，如專利文獻1中揭示般，超音波轉換器元件晶片包含基板。於基板上形成有複數個開口。於各個開口設置有超音波轉換器元件。超音波轉換器元件包含振動膜。振動膜係自基板之表面封閉開口。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-82624號公報
[專利文獻2]日本專利特開2011-77918號公報
若於基板形成開口，則基板之強度降低。相對於基板之厚度方向之力而強度不足。若將超音波轉換器元件晶片按壓於被檢體，則有超音波轉換器元件破損之情形。
根據本發明之至少1個態樣，可提供一種薄型且具有耐基板之厚 度方向之按壓之強度之超音波轉換器元件晶片。
(1)本發明之一態樣係關於一種超音波轉換器元件晶片，其特徵在於包含：基板，其開口配置成陣列狀；超音波轉換器元件，其於上述基板之第1面設置於各個上述開口；及加強構件，其固定於上述基板之上述第1面之相反側之上述基板之第2面而加強上述基板；上述加強構件係於固定於上述基板之上述第2面之面包含直線狀凹槽部，該直線狀凹槽部於該面之面內之第1方向上，以較上述基板之上述第2面中之上述開口之上述第1方向之開口寬度小之間隔並排配置，並將上述開口之內部空間及上述基板之外部空間相互連通。
於如此之超音波轉換器元件晶片中，超音波轉換器元件可形成為薄型。超音波轉換器元件可形成於薄型之基板上。即便將加強構件固定於基板，超音波轉換器元件晶片亦可形成為薄型。除此以外，由於在基板之第2面固定有加強構件，故可於基板之厚度方向上加強基板之強度。開口之內部空間係由基板、超音波轉換器元件及加強構件包圍。直線狀凹槽部將開口之內部空間與基板之外部空間相互連接。如此，可確保各個開口之內部空間與內部空間之外側之間通氣。若直線狀凹槽部以較第1方向之開口寬度小之間隔並排配置，則即便於基板與加強構件之間相對地產生位置偏移，亦可將至少1條直線狀凹槽部連接於開口。各個開口必需能夠確保與開口之外側之間通氣。開口之內部空間未密閉。開口之內部空間可容易地追隨周圍之壓力變動。如此，可確實地避免超音波轉換器元件之破損。若假設開口之內部空間氣密地密閉，則因壓力變動而有超音波轉換器元件破損之可能性。
(2)上述加強構件可由至少一處接合區域而接合於配置成陣列狀之上述開口間之上述基板之間隔壁部。若間隔壁部接合於加強構件，則間隔壁部之移動被加強構件限制。因此，可防止間隔壁部之振動。 其結果，可防止超音波轉換器元件彼此之串擾。而且，若如此限制間隔壁部之移動，則可避免間隔壁部之振動對超音波轉換器元件之超音波振動之作用。於超音波轉換器元件中，可獲得清晰之振動模式之超音波振動。若如此避免間隔壁部之振動，則亦可抑制超音波振動之振幅降低。
(3)超音波轉換器元件晶片係自上述基板之厚度方向俯視時，每條上述直線狀凹槽部可依序橫穿1行上述開口而依次將開口彼此連通，並自行端之上述開口起連通至上述基板之輪廓之外側之空間。如此，可於1行開口中確保所有開口通氣。
(4)超音波轉換器元件晶片可代替1條上述直線狀凹槽部，而自上述基板之厚度方向俯視時，利用複數條上述直線狀凹槽部之組合，依序橫穿1行上述開口而依次將開口彼此連通，並自行端之上述開口起連通至上述基板之輪廓之外側之空間。如此，可藉由1行開口而確保所有開口通氣。
(5)於上述直線狀凹槽部之上述第1方向上排列之間隔亦可為上述開口之上述第1方向之開口寬度之三分之一以上且小於二分之一。若直線狀凹槽部以如此之間隔排列，則2條直線狀凹槽部可橫穿開口之輪廓線。因此，於開口中，即便一個直線狀凹槽部產生堵塞，亦可利用另一個直線狀凹槽部確保與開口之外側之間通氣。
(6)自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口之輪廓形成為矩形，上述直線狀凹槽部可於上述矩形之短邊方向上橫穿上述開口。若如此般於矩形之長邊方向上設定直線狀凹槽部彼此之間隔，則與於矩形之短邊方向上設定直線狀凹槽部彼此之間隔之情形相比，可於平行線彼此間確保較大之間隔。因此，直線狀凹槽部可由較少之條數形成。可達成加工之效率化。
(7)自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口之輪廓形成為矩 形，上述直線狀凹槽部可於上述矩形之長邊方向上橫穿上述開口。於矩形之短邊上因縱橫比而開口之輪廓之壁不易變形。即便基於直線狀凹槽部之形成而重合之範圍變窄，壁亦可維持相對較高之剛度。因此，可抑制壁之振動。
(8)自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口係以固定間距排列於上述第1方向上，上述直線狀凹槽部可等間距地排列於上述第1方向上。當形成直線狀凹槽部時，只要能夠確保等間距，則可自由地設定直線狀凹槽部與加強構件之相對位置。當加工加強構件時，可放寬加強構件之定位精度。可簡化加強構件之加工。
(9)超音波轉換器元件晶片可組裝於探針而利用。探針可包含超音波轉換器元件晶片及支撐上述超音波轉換器元件晶片之殼體。
(10)探針可組裝於電子機器而利用。電子機器可包含：探針；及處理電路，其連接於上述探針，對上述超音波轉換器元件之輸出進行處理。
(11)同樣地，探針可組裝於超音波診斷裝置而利用。超音波診斷裝置可包含：探針；處理電路，其連接於上述探針，對上述超音波轉換器元件之輸出進行處理，並生成圖像；及顯示裝置，其顯示上述圖像。
(12)超音波轉換器元件晶片可組裝於探針頭而利用。探針頭可包含超音波轉換器元件晶片及支撐上述超音波轉換器元件晶片之殼體。
(13)當製造超音波轉換器元件晶片時，可提供特定之製造方法。此處，超音波轉換器元件晶片之製造方法可包含如下步驟：保持加強構件，該加強構件具有設有以較於基板上配置成陣列狀之開口之第1方向之開口寬度小之間隔排列之直線狀凹槽部之表面；及將於各個上述開口設置有超音波轉換器元件之上述基板之第1面之相反側之上述基板之第2面及上述加強構件之上述表面重合。
若如此般設定直線狀凹槽部之間隔，則即便於基板與加強構件之間相對地產生位置偏移，亦可將至少1條直線狀凹槽部連通於開口。除此以外，即便於基板及加強構件在大氣中或其他氣體環境下相互重合之情形時，亦可相對簡單地實現重合。另一方面，若基板之第2面重合於均勻之平面，則利用加強構件之平面將氣體擠入至各個開口內。於大氣壓下，體積大於開口內之空間之體積之氣體欲滯留於開口內。若多餘之氣體未與開口之封鎖同時地自基板及加強構件之間隙中流走，則無法實現基板及加強構件之貼合。
11‧‧‧電子機器(超音波診斷裝置)
13‧‧‧探針(超音波探針)
13b‧‧‧探針頭
15‧‧‧顯示裝置(顯示面板)
16‧‧‧殼體
17‧‧‧超音波轉換器元件晶片
17a‧‧‧超音波轉換器元件晶片
17b‧‧‧超音波轉換器元件晶片
21‧‧‧基板
21a‧‧‧第1邊
21b‧‧‧第2邊
22‧‧‧元件陣列
23‧‧‧超音波轉換器元件
24‧‧‧下部電極
24a‧‧‧第1導電體
25‧‧‧上部電極
25a‧‧‧第2導電體
26‧‧‧壓電體膜
27‧‧‧引出配線
29‧‧‧直線
31‧‧‧周緣區域
32a‧‧‧第1端子陣列
32b‧‧‧第2端子陣列
33‧‧‧下部電極端子
34‧‧‧上部電極端子
35‧‧‧下部電極端子
36‧‧‧上部電極端子
37‧‧‧第1軟性印刷基板
38‧‧‧第1信號線
41‧‧‧第2軟性印刷基板
42‧‧‧第2信號線
45‧‧‧開口
45a‧‧‧輪廓
45c‧‧‧中心
52‧‧‧加強構件(加強板)
53‧‧‧直線狀凹槽部(凹槽)
55a‧‧‧通路
55b‧‧‧通路
56‧‧‧平行線
57a‧‧‧端面
57b‧‧‧端面
74‧‧‧處理電路
83‧‧‧加強構件(加強板用之晶圓)
84‧‧‧直線狀凹槽部(凹槽)
85‧‧‧直線狀凹槽部(凹槽)
86‧‧‧直線狀凹槽部(凹槽)
D1‧‧‧第1方向(第1方向)
D2‧‧‧第1方向(第2方向)
L‧‧‧(直線狀凹槽部之)間隔
S‧‧‧開口寬度
圖1係概略性地表示一實施形態之電子機器之一具體例即超音波診斷裝置之外觀圖。
圖2係超音波探針之放大前視圖。
圖3係超音波轉換器元件晶片之放大平面圖。
圖4係沿著圖3之4-4線之剖面圖。
圖5係表示凹槽之加強板之平面圖。
圖6係圖5之放大部分平面圖。
圖7係概略性地表示超音波診斷裝置之電路構成之方塊圖。
圖8係概略性地表示形成於矽晶圓上之可撓膜及下部電極之部分放大垂直剖面圖。
圖9係概略性地表示形成於下部電極上之壓電體膜及上部電極之部分放大垂直剖面圖。
圖10係概略性地表示覆蓋矽晶圓之導電膜之部分放大垂直剖面圖。
圖11係概略性地表示形成於矽晶圓之開口及加強板用之晶圓之部分放大垂直剖面圖。
圖12係概略性地表示當矽晶圓與加強板用之晶圓重合時開口與 凹槽之位置關係之部分放大平面圖。
圖13係概略性地表示其他實施形態之超音波轉換器元件晶片之部分放大平面圖。
圖14係概略性地表示進而其他實施形態之超音波轉換器元件晶片之部分放大平面圖。
以下，參照隨附圖式對本發明之一實施形態進行說明。再者，以下說明之本實施形態並非不合理地限定申請專利範圍中記載之本發明之內容，本實施形態中說明之所有構成不一定為本發明之解決手段所必需。
(1)超音波診斷裝置之整體構成
圖1係概略性地表示本發明之一實施形態之電子機器之一具體例即超音波診斷裝置11之構成。超音波診斷裝置11包含裝置終端12與超音波探針(探針)13。裝置終端12與超音波探針13係利用電纜14而相互連接。裝置終端12與超音波探針13係通過電纜14而交換電信號。於裝置終端12中組裝有顯示面板(顯示裝置)15。顯示面板15之畫面係於裝置終端12之表面露出。於裝置終端12中，如下所述，根據由超音波探針13檢測出之超音波而生成圖像。將經圖像化之檢測結果顯示於顯示面板15之畫面上。
如圖2所示，超音波探針13包含殼體16。於殼體16內收容有超音波轉換器元件晶片(以下稱為「元件晶片」)17。元件晶片17之表面可於殼體16之表面露出。元件晶片17自表面輸出超音波，並且接收超音波之反射波。除此以外，超音波探針13可包含裝卸自如地連結於探針本體13a之探針頭13b。此時，元件晶片17可組裝於探針頭13b之殼體16內。
圖3係概略性地表示元件晶片17之平面圖。元件晶片17包含基板 21。於基板21形成有元件陣列22。元件陣列22係由超音波轉換器元件(以下稱為「元件」)23之排列所構成。排列係由複數列複數行之矩陣所形成。各個元件23包含壓電元件部。壓電元件部包含下部電極24、上部電極25及壓電體膜26。針對各個元件23於下部電極24及上部電極25之間夾入壓電體膜26。
下部電極24包含複數根第1導電體24a。第1導電體24a沿排列之列方向相互平行地延伸。對每1列元件23分配1根第1導電體24a。1根第1導電體24a係共通地配置於在排列之列方向上排列之元件23之壓電體膜26。第1導電體24a之兩端分別連接於一對引出配線27。引出配線27沿排列之行方向相互平行地延伸。因此，所有第1導電體24a具有相同長度。如此，下部電極24共通地連接於矩陣整體之元件23。
上部電極25包含複數根第2導電體25a。第2導電體25a沿排列之行方向相互平行地延伸。對每一行元件23分配1根第2導電體25a。1根第2導電體25a係共通地配置於在排列之行方向上排列之元件23之壓電體膜26。針對每行切換元件23之通電。根據如此之通電之切換而實現線掃描或扇形掃描。由於1行元件23同時輸出超音波，故1行之個數即排列之列數可根據超音波之輸出位準而決定。列數設定為例如10~15列左右即可。於圖中省略而描繪5列。排列之行數可根據掃描範圍之寬廣程度而決定。行數設定為例如128行或256行即可。於圖中省略而描繪8行。除此以外，關於排列，亦可確立千鳥配置。於千鳥配置中，偶數行之元件23群相對於奇數行之元件23群以列間距之二分之一錯開即可。奇數行及偶數行之一者之元件數量亦可較另一者之元件數量減少1個。進而，下部電極24及上部電極25之作用亦可調換。即，亦可為上部電極共通地連接於矩陣整體之元件23，另一方面，針對排列之每一行而下部電極共通地連接於元件23。
基板21之輪廓包含由相互平行之一對直線29隔開且對向之第1邊 21a及第2邊21b。於元件陣列22之輪廓與基板21之外緣之間展開之周緣區域31中，於第1邊21a與元件陣列22之輪廓之間配置有1列第1端子陣列32a，於第2邊21b與元件陣列22之輪廓之間配置有1列第2端子陣列32b。第1端子陣列32a可與第1邊21a平行地形成1列。第2端子陣列32b可與第2邊21b平行地形成1列。第1端子陣列32a包含一對下部電極端子33及複數個上部電極端子34。同樣地，第2端子陣列32b包含一對下部電極端子35及複數個上部電極端子36。於1根引出配線27之兩端分別連接有下部電極端子33、35。引出配線27及下部電極端子33、35相對於將元件陣列22平分之垂直面形成為面對稱即可。於1根第2導電體25a之兩端分別連接有上部電極端子34、36。第2導電體25a及上部電極端子34、36相對於將元件陣列22平分之垂直面形成為面對稱即可。此處，基板21之輪廓形成為矩形。基板21之輪廓亦可為正方形或梯形。
於基板21連結第1軟性印刷基板(以下稱為「第1軟性印刷基板」)37。第1軟性印刷基板37被覆於第1端子陣列32a。於第1軟性印刷基板37之一端個別地對應於下部電極端子33及上部電極端子34而形成有導電線即第1信號線38。第1信號線38係個別地面向下部電極端子33及上部電極端子34而個別地接合。同樣地，於基板21連結第2軟性印刷基板(以下稱為「第2軟性印刷基板」)41。第2軟性印刷基板41被覆於第2端子陣列32b。於第2軟性印刷基板41之第1端41a個別地對應於下部電極端子35及上部電極端子36而形成有導電線即第2信號線42。第2信號線42係個別地面向下部電極端子35及上部電極端子36而個別地接合。
如圖4所示，各個元件23包含振動膜43。當構築振動膜43時，於基板21之基體44針對各個元件23而形成開口45。開口45相對於基體44配置成陣列狀。於基體44之整個表面形成可撓膜46。可撓膜46包含積 層於基體44之表面之氧化矽(SiO2)層47及積層於氧化矽層47之表面之氧化鋯(ZrO2)層48。可撓膜46與開口45接觸。如此，對應於開口45之輪廓而可撓膜46之一部分作為振動膜43發揮功能。氧化矽層47之膜厚可根據共振頻率而決定。
於振動膜43之表面依序積層下部電極24、壓電體膜26及上部電極25。對於下部電極24，可使用例如鈦(Ti)、銥(Ir)、鉑(Pt)及鈦(Ti)之積層膜。壓電體膜26可由例如鋯鈦酸鉛(PZT，Lead Zirconate Titanate)而形成。上部電極25可由例如銥(Ir)而形成。對於下部電極24及上部電極25，亦可利用其他導電材料，對於壓電體膜26，亦可使用其他壓電材料。此處，於上部電極25下，壓電體膜26完全覆蓋下部電極24。利用壓電體膜26之作用可避免於上部電極25與下部電極24之間產生短路。
於基板21之表面積層保護膜49。保護膜49例如遍及整個表面而被覆於基板21之表面。其結果，元件陣列22或第1及第2端子陣列32a、32b、第1及第2軟性印刷基板37、41係由保護膜49覆蓋。對於保護膜49，可使用例如聚矽氧樹脂膜。保護膜49對元件陣列22之構造、第1端子陣列32a及第1軟性印刷基板37之接合、第2端子陣列32b及第2軟性印刷基板41之接合進行保護。
於鄰接之開口45彼此之間區劃有間隔壁51。開口45彼此係由間隔壁51隔開。間隔壁51之壁厚t相當於開口45之空間彼此之間隔。間隔壁51係於相互平行地展開之平面內規定2個壁面。壁厚t相當於壁面彼此之距離。即，壁厚t可由與壁面正交且夾於壁面彼此之間之垂線之長度而規定。間隔壁51之壁高度H相當於開口45之深度。開口45之深度相當於基體44之厚度。因此，間隔壁51之壁高度H可由於基體44之厚度方向上規定之壁面之長度而規定。由於基體44具有均勻之厚度，故間隔壁51可遍及全長而具有固定之壁高度H。若間隔壁51之壁 厚t縮小，則振動膜43之配置密度提高。可有助於元件晶片17之小型化。若間隔壁51之壁高度H大於壁厚t，則可提高元件晶片17之彎曲剛度。如此，將開口45彼此之間隔設定為小於開口45之深度。
於基體44之背面固定有加強板(加強構件)52。基體44之背面重疊於加強板52之表面。加強板52係於元件晶片17之背面封閉開口45。加強板52可包含硬質基材。加強板52可由例如矽基板所形成。基體44之板厚設定為例如100μm左右，加強板52之板厚設定為例如100~150μm左右。此處，間隔壁51與加強板52結合。加強板52係於至少一處接合區域接合於各個間隔壁51。當接合時，可使用黏接劑。
於加強板52之表面形成直線狀之凹槽(直線狀凹槽部)53。凹槽53將加強板52之表面分割成複數個平面54。複數個平面54係於1個虛擬平面HP內展開。基體44之背面於上述虛擬平面HP內展開。間隔壁51與平面54接合。凹槽53自虛擬平面HP凹陷。凹槽53之剖面形狀既可為四邊形，亦可為三角形，亦可為半圓形及其他形狀。
如圖5所示，開口45於第1方向D1上形成行。開口45之輪廓形狀之中心45c係於第1方向D1之1條直線56上等間距地配置。由於開口45之輪廓45a係以1種形狀之複寫而進行仿照，故同一形狀之開口45以固定間距重複配置。開口45之輪廓45a規定為例如四邊形。具體而言，形成為矩形。矩形之長邊與第1方向D1一致。如此，開口45具有矩形之輪廓45a，因此，間隔壁51可遍及全長而具有固定之壁厚t。此時，間隔壁51之接合區域為包含長邊之中央位置之區域即可。尤其，間隔壁51之接合區域為包含長邊之全長之區域即可。間隔壁51可遍及長邊之全長而於開口45彼此之間之整個表面與加強板52面接合。進而，間隔壁51之接合區域可於四邊形之各邊分別配置至少一處。間隔壁51之接合區域可不間斷地包圍四邊形。間隔壁51可遍及四邊形之整周而於開口45彼此之間之整個表面與加強板52面接合。
凹槽53係以固定間隔L相互平行地排列於第1方向D1上。凹槽53沿與第1方向D1交叉之第2方向D2延伸。凹槽53之兩端於加強板52之端面57a、57b開口。1條凹槽53依序橫穿1行(此處為1列)開口45之輪廓45a。於各個開口45連接至少1條凹槽53。此處，第2方向D2與第1方向D1正交。因此，凹槽53於矩形之短邊方向上橫穿開口45之輪廓45a。
如圖6所示，於平面54彼此之間，凹槽53於基體44與加強板52之間形成通路58a、58b。如此，凹槽53內之空間與開口45之內部空間連通。通路58a、58b確保開口45之內部空間與基板21之外部空間之間通氣。自與基板21之表面正交之方向即基板21之厚度方向俯視觀察時，由於1條凹槽53依序橫穿1行(此處為1列)開口45之輪廓45a，故開口45彼此係利用通路58a而依次連接。凹槽53之兩端於加強板52之端面57a、57b開口。如此，通路58b自行端之開口45開放至基板21之輪廓之外側。
凹槽53之間隔L設定為小於開口45之開口寬度S。開口寬度S係由在凹槽53之排列方向即第1方向D1上橫穿開口45之線段中最大長度者而規定。換言之，開口寬度S相當於與開口45之輪廓45a外接之平行線59彼此之間隔。對每一開口45特定與開口45之輪廓45a外接之平行線59。平行線59沿第2方向D2延伸。於假設針對每一開口45而開口寬度S互不相同之情形時，以較開口寬度S之最小值小之間隔L排列凹槽53即可。此處，凹槽53之間隔L設定為開口45之開口寬度S之三分之一以上且小於二分之一。
(2)超音波診斷裝置之電路構成
如圖7所示，積體電路包含多工器61及收發電路62。多工器61包含元件晶片17側之埠群61a與收發電路62側之埠群61b。於元件晶片17側之埠群61a經由第1配線54而連接第1信號線38及第2信號線42。如 此，埠群61a與元件陣列22連接。此處，於收發電路62側之埠群61b連接積體電路晶片55內之規定數量之信號線63。規定數量相當於掃描時同時輸出之元件23之行數。多工器61係於電纜14側之埠與元件晶片17側之埠之間管理相互連接。
收發電路62包含規定數量之切換開關64。各個切換開關64分別連接於個別對應之信號線63。收發電路62係針對各個切換開關64而包含發送路徑65及接收路徑66。發送路徑65與接收路徑66並聯連接於切換開關64。切換開關64選擇性地將發送路徑65或接收路徑66連接於多工器61。於發送路徑65組裝脈衝器67。脈衝器67以與振動膜52之共振頻率相應之頻率輸出脈衝信號。於接收路徑66組裝放大器68、低通濾波器(LPF，Low Pass Filter)69及類比數位轉換器(ADC，Analog Digital Converter)71。各個元件23之檢測信號被放大而轉換為數位信號。
收發電路62包含驅動/接收電路72。發送路徑65及接收路徑66連接於驅動/接收電路72。驅動/接收電路72根據掃描形態而同時控制脈衝器67。驅動/接收電路72根據掃描形態而接收檢測信號之數位信號。驅動/接收電路72係利用控制線73而連接於多工器61。多工器61根據自驅動/接收電路72供給之控制信號而實施相互連接之管理。
於裝置終端12組裝處理電路74。處理電路74可包含例如中央運算處理裝置(CPU，Central Processing Unit，中央處理單元)或記憶體。超音波診斷裝置11之整體動作係依據處理電路74之處理而進行控制。處理電路74根據由使用者輸入之指示而控制驅動/接收電路72。處理電路74根據元件23之檢測信號而生成圖像。圖像係由繪圖資料所特定。
於裝置終端12組裝繪圖電路75。繪圖電路75連接於處理電路74。於繪圖電路75連接顯示面板15。繪圖電路75根據處理電路74中所 生成之繪圖資料而生成驅動信號。驅動信號被送入至顯示面板15。其結果，於顯示面板15中放映出圖像。
(3)超音波診斷裝置之動作
繼而簡單地對超音波診斷裝置11之動作進行說明。處理電路74對驅動/接收電路72指示超音波之發送及接收。驅動/接收電路72對多工器61供給控制信號，並且對各個脈衝器67供給驅動信號。脈衝器67根據驅動信號之供給而輸出脈衝信號。多工器61依據控制信號之指示而將埠群61a之埠連接於埠群61b之埠。脈衝信號係對應於埠之選擇而通過下部電極端子33、35及上部電極端子34、36針對每一行供給至元件23。振動膜43對應於脈衝信號之供給而產生振動。其結果，朝向對象物(例如人體之內部)發出所期望之超音波。
發送超音波之後，對切換開關64進行切換。多工器61維持埠之連接關係。切換開關64確立接收路徑66及信號線63之連接而代替發送路徑65及信號線63之連接。超音波之反射波使振動膜43產生振動。其結果，自元件23輸出檢測信號。檢測信號被轉換為數位信號而送入至驅動/接收電路72。
重複進行超音波之發送及接收。當重複時，多工器61變更埠之連接關係。其結果，實現線掃描或扇形掃描。掃描結束後，處理電路74根據檢測信號之數位信號而形成圖像。將所形成之圖像顯示於顯示面板15之畫面。
於元件晶片17中，元件23可形成為薄型。元件23可形成於薄型之基板21。即便將加強板52固定於基板21，元件晶片17亦可形成為薄型。同時，加強板52加強基板21之強度。尤其，由於在間隔壁51中壁厚t小於壁高度H，故因剖面係數之關係而間隔壁51可於基板21之厚度方向上確保充分之剛度。基板21之厚度方向之力可沿著間隔壁51傳遞而由加強板52支撐。如此，元件晶片17可於基板21之厚度方向上具有 充分之強度。即便將基板21之板厚設定為例如100 μm左右，加強板52亦可防止基板21之破損。另一方面，於利用塊狀型之超音波轉換器元件構成元件陣列之情形時，基板之板厚設定為數mm左右。即便接合加強板52，元件晶片17之厚度與利用塊狀型之超音波轉換器元件構成元件陣列之情形相比，亦可確實地縮小。除此以外，由於振動膜43之聲阻抗與塊狀型之超音波轉換器元件相比更接近於人體之聲阻抗，故於元件晶片17中，與塊狀型之超音波轉換器元件相比，可省略聲阻抗之匹配層。如此之匹配層之省略可進一步有助於元件晶片17之薄型化。
加強板52係於至少一處接合區域接合於各個間隔壁51。若間隔壁51接合於加強板52，則間隔壁51之移動被加強板52限制。因此，可防止間隔壁51之振動。其結果，可防止元件23彼此之串擾。而且，若如此般限制間隔壁51之移動，則可避免間隔壁51之振動對元件23之超音波振動之作用。於元件23中可獲得清晰之振動模式之超音波振動。若如此般避免間隔壁51之振動，則亦可抑制超音波振動之振幅降低。另一方面，若間隔壁51移動，則出現頻率低於振動膜43之上下振動模式之產生應變之振動模式。而且，若間隔壁51移動，則相應地振動膜43之動能減少而振動之振幅降低。
開口45內之空間係由基板21、可撓膜46(振動膜43)及加強板52包圍。自基板21之厚度方向俯視觀察時，凹槽53橫穿開口45之輪廓線45a。如此，各個開口45之內部空間可確保與基板21之外部空間之間通氣。其結果，開口45之內部空間與大氣空間連接。可避免開口45之內部空間壓力上升。可防止振動膜43之破損。此處，外部空間係指利用基板21、可撓膜46及加強板52與內部空間隔開之空間且明顯大於內部空間之空間。
於元件晶片17中，凹槽53之間隔L設定為小於開口45之開口寬度 S。因此，即便於基板21與加強板52之間相對地產生位置偏移，亦可將至少1條凹槽53連接於開口45之輪廓線45a。各個開口45必需能夠確保與開口45之外側之間通氣。除此以外，由於凹槽53之間隔L設定為開口寬度S之三分之一以上且小於二分之一，故針對各個開口45，可將至少2條凹槽53連接於開口45之輪廓線45a。因此，於各個開口45中，即便一個凹槽53產生堵塞，亦可利用另一個凹槽53確保與開口45之外側之間通氣。而且，由於可避免超過4條之凹槽53橫穿輪廓線45a，故可抑制間隔壁51之接合強度降低。此處，期望將凹槽53之寬度設定為小於間隔壁51之壁厚t。如此，即便於在第1方向D1上鄰接之開口45彼此之間配置凹槽53，亦可於間隔壁51與加強板52之間確保足夠大小之接合面積。可抑制間隔壁51之接合強度降低。
間隔壁51之接合區域可為包含長邊之中央位置之區域。間隔壁51中振動振幅較大之部位接合於加強板52。其結果，可有效地防止間隔壁51之振動。而且，間隔壁51之接合區域可為包含長邊之全長之區域。若如此般遍及長邊之全長而將間隔壁51接合於加強板52，則可確實地防止間隔壁51之振動。進而，間隔壁51可遍及長邊之全長而於開口45彼此之間之整個表面進行面接合。若如此般間隔壁51遍及長邊之全長而於開口45彼此之間以整面與加強板52面接合，則可確實地防止間隔壁51之振動。
間隔壁51之接合區域於四邊形之各邊分別配置至少一處即可。若如此般於四邊形之各邊將間隔壁51接合於加強板52，則可確實地防止間隔壁51之振動。而且，間隔壁51之接合區域可不間斷地包圍四邊形。若如此般於四邊形之整個區域將間隔壁51接合於加強板52，則可確實地防止間隔壁51之振動。而且，間隔壁51可遍及四邊形之整周而於開口45彼此之間以整面進行面接合。若如此般間隔壁51遍及四邊形之整周而於開口45彼此之間以整面與加強板52面接合，則可確實地防 止間隔壁51之振動。
於元件晶片17中，於列方向上鄰接之開口45彼此之間開口45內之空間係利用通路55a而相互連通。而且，通路55b自行端之開口45開放至基板21之輪廓之外側。通路55a、55b係由1條凹槽53形成。如此，可利用1條凹槽53而確保1行開口45均通氣。
而且，凹槽53係當自基板21之厚度方向俯視時於矩形之短邊方向上橫穿開口45。若如此般於矩形之長邊方向上設定凹槽53彼此之間隔L，則與於矩形之短邊方向上設定凹槽53彼此之間隔之情形相比，可於平行線56彼此之間確保較大之間隔。因此，凹槽53由較少之條數形成即可。可達成加工之效率化。
除此以外，凹槽53係等間距地排列於第1方向D1上。當形成凹槽53時，只要能夠確保等間距，則可自由地設定凹槽53與加強板52之相對位置。當加工加強板52時，可放寬加強板52之定位精度。可簡化加強板52之加工。
(4)超音波轉換器元件晶片之製造方法
如圖8所示，於矽晶圓(基板)78之表面針對各個元件晶片17形成下部電極24、引出配線27及下部電極端子33、35(圖7以後未圖示)。於形成下部電極24、引出配線27及下部電極端子33、35之前，於矽晶圓78之表面相繼形成氧化矽膜79及氧化鋯膜81。於氧化鋯膜81之表面形成導電膜。導電膜包含鈦、銥、鉑及鈦之積層膜。基於光微影技術由導電膜成形下部電極24、引出配線27及下部電極端子33、35。
如圖9所示，於下部電極24之表面針對各個元件23形成有壓電體膜26及上部電極25。當形成壓電體膜26及上部電極25時，於矽晶圓78之表面成膜壓電材料膜及導電膜。壓電材料膜包含PZT膜。導電膜包含銥膜。基於光微影技術針對各個元件23由壓電材料膜及導電膜成形壓電體膜26及上部電極25。
繼而，如圖10所示，於矽晶圓78之表面成膜導電膜82。導電膜82係於各個元件晶片17內針對每一行而將上部電極25相互連接。繼而，基於光微影技術由導電膜82成形上部電極25、上部電極端子34、36。
然後，如圖11所示，自矽晶圓78之背面形成陣列狀之開口45。當形成開口45時，實施蝕刻處理。氧化矽膜79作為蝕刻終止層而發揮功能。由氧化矽膜79及氧化鋯膜81區劃振動膜43。形成開口45之後，將加強板用之晶圓(加強構件)83之表面重合於矽晶圓78之背面。於重合之前，晶圓83保持於搬運機構或載物台上。對於晶圓83，可使用例如硬質之絕緣性基板。對於絕緣性基板，可使用矽晶圓。當接合時，可使用例如黏接劑。接合後，自矽晶圓78切下各個元件晶片17。
於接合之前，於加強板用之晶圓83之表面形成直線狀之凹槽84。凹槽84係相互平行地以等間隔延伸。凹槽84之至少一端於晶圓83之端面開放。凹槽84係以較開口45之開口寬度S小之間隔L排列。若如此般設定凹槽84之間隔L，則即便於矽晶圓78與加強板用之晶圓83之間相對地產生位置偏移，亦可使至少1條凹槽84橫穿開口45之輪廓線45a。例如，如圖12所示，即便加強板用之晶圓83相對於矽晶圓78於第1方向D1上產生偏移而凹槽84a位於開口45彼此之間，亦可於2個開口45中分別配置至少1條凹槽84b。當自矽晶圓78切下各個元件晶片17時，凹槽84提供加強板52之凹槽53。
若如此般形成凹槽84，則即便於矽晶圓78及晶圓83於大氣中或其他氣體環境下相互重合之情形時，亦可相對簡單地實現重合。另一方面，當矽晶圓78之背面重合於均勻之平面時，利用加強板用之晶圓之平面將氣體擠入至各個開口45內。於大氣壓下，體積大於開口45內之空間之體積之氣體欲滯留於開口45內。若多餘之氣體未與開口45之封鎖同時地自矽晶圓78及加強板用之晶圓之間隙逸出，則無法實現矽 晶圓78及加強板用之晶圓之貼合。
(5)其他實施形態之超音波轉換器元件晶片
圖13係概略性地表示其他實施形態之超音波轉換器元件晶片17a。於該元件晶片17a中，1條1條之凹槽85局部地沿第2方向D2延伸。如此之局部之凹槽85於若干個開口45彼此之間形成通路55a、55b。利用複數條凹槽85之組合，而形成自基板21之厚度方向俯視時依序橫穿1行開口45而依次將開口45彼此連接之一連串之通路55a、55b。如此，利用通路55a、55b之組合可確保1行開口45均通氣。凹槽85可與凹槽53同樣地構成。其他構成可與元件晶片17同樣地構成。圖中，對與元件晶片17均等之構成或構造標註相同之參照符號。
圖14係概略地表示進而其他實施形態之超音波轉換器元件晶片17b。於該元件晶片17b中，凹槽86沿第1方向D1即矩形之長邊方向延伸。因此，自基板21之厚度方向俯視時，凹槽86係於矩形之短邊上橫穿開口45之輪廓線45a。於矩形之短邊上因剖面係數而開口45之輪廓45a之壁即間隔壁51不易變形。即便基於凹槽86之形成而接合之範圍變窄，間隔壁51亦可維持相對較高之剛度。因此，可抑制間隔壁51之振動(殘留振動)。其他構成可與元件晶片17同樣地構成。圖中，對與元件晶片17均等之構成或構造標註相同之參照符號。
除此以外，於任一實施形態中，對於開口45之排列，均可確立千鳥配置。於千鳥配置中，偶數行之元件23群相對於奇數行之元件23群以列間距之二分之一錯開即可。奇數行及偶數行之一者之元件數量亦可較另一者之元件數量減少1個。除此以外，凹槽53、85、86亦可相對於第1方向D1或第2方向D2以特定之傾斜角傾斜。
再者，如上述般對本實施形態進行了詳細說明，業者應該能夠容易地理解可進行實質上不脫離本發明之新穎事項及效果之多種變形。因此，如上所述之變形例均包含於本發明之範圍內。例如，於說 明書或圖式中，至少一次與更廣義或同義之不同之術語一併記載之術語可於說明書或圖式之任一處，替換為該不同之術語。又，超音波診斷裝置11或超音波探針13、探針頭13b、元件晶片17、17a、17b、元件23等構成及動作亦不限定於本實施形態中所說明者，可進行多種變形。
45‧‧‧開口
45a‧‧‧輪廓
45c‧‧‧中心
52‧‧‧加強構件(加強板)
53‧‧‧直線狀凹槽部(凹槽)
56‧‧‧平行線
57a‧‧‧端面
57b‧‧‧端面
D1‧‧‧第1方向(第1方向)
D2‧‧‧第1方向(第2方向)
L‧‧‧(直線狀凹槽部之)間隔

Claims (14)

  1. 一種超音波轉換器元件晶片，其特徵在於包含：基板，其開口配置成陣列狀；超音波轉換器元件，其設置於上述基板之第1面，且設置於從上述基板之厚度方向來看的俯視時與上述開口重疊的位置；及加強構件，其設置於上述基板之與上述第1面相反側之上述基板之第2面；且上述加強構件係包含直線狀凹槽部，該直線狀凹槽部係於與上述基板之上述第2面接觸之面中於第1方向上並排配置，並將包含上述開口之上述基板之內部空間及上述基板之外部空間連通；上述直線狀凹槽部之間隔係較沿上述第1方向的上述開口之開口寬度小。
  2. 如請求項1之超音波轉換器元件晶片，其中上述加強構件係以至少一處接合區域接合於配置成陣列狀之上述開口間之上述基板之間隔壁部。
  3. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中自上述基板之厚度方向俯視時，針對每一條上述直線狀凹槽部橫穿1行上述開口而將開口彼此連通，並自行端之上述開口連通至上述基板之輪廓之外側之空間。
  4. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中自上述基板之厚度方向俯視時，藉由複數條上述直線狀凹槽部之組合，橫穿1行上述開口而將開口彼此連通，並自行端之上述開口連通至上述基板之輪廓之外側之空間。
  5. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中於上述直線狀凹 槽部之上述第1方向上排列之間隔係上述開口之上述第1方向之開口寬度之三分之一以上且小於二分之一。
  6. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口之輪廓形成為矩形，上述直線狀凹槽部係於上述矩形之短邊方向上橫穿上述開口。
  7. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口之輪廓形成為矩形，上述直線狀凹槽部係於上述矩形之長邊方向上橫穿上述開口。
  8. 如請求項1或2之超音波轉換器元件晶片，其中自上述基板之厚度方向俯視時，上述開口係以固定間距排列於上述第1方向上，上述直線狀凹槽部係等間距地排列於上述第1方向上。
  9. 一種探針，其特徵在於包含如請求項1至8中任一項之超音波轉換器元件晶片、及支撐上述超音波轉換器元件晶片之殼體。
  10. 一種電子機器，其特徵在於包含：如請求項9之探針；及處理電路，其連接於上述探針，對上述超音波轉換器元件之輸出進行處理。
  11. 一種超音波診斷裝置，其特徵在於包含：如請求項9之探針；處理電路，其連接於上述探針，對上述超音波轉換器元件之輸出進行處理，並生成圖像；及顯示裝置，其顯示上述圖像。
  12. 一種探針頭，其特徵在於包含：如請求項1至8中任一項之超音波轉換器元件晶片；及殼體，其支撐上述超音波轉換器元件晶片；且上述殼體係可裝卸於探針本體。
  13. 一種超音波轉換器元件晶片之製造方法，其特徵在於包含如下步驟：保持加強構件，該加強構件具有設有以較於基板上配置成陣 列狀之開口之第1方向之開口寬度小之間隔排列之直線狀凹槽部之表面；及將於與各個上述開口設置有超音波轉換器元件之上述基板之第1面相反側之上述基板之第2面及上述加強構件之上述表面重合。
  14. 一種超音波轉換器元件晶片，其特徵在於：基板，其於第1面包含振動膜，於與上述第1面相反側之第2面設置有配置成陣列狀之開口；超音波轉換器元件，其設置於上述振動膜，且從上述基板之厚度方向來看的俯視時與上述開口重疊；及加強構件，其設置於上述第2面，於上述俯視時覆蓋上述開口；且上述加強構件係包含直線狀凹槽部，該直線狀凹槽部係於與上述第2面接觸之面中於第1方向上並排配置，並將包含上述開口之上述基板之內部空間及上述基板之外部空間連通；上述直線狀凹槽部之間隔係較沿上述第1方向的上述開口之開口寬度小。
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