WO2012050172A1 - 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

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 Download PDF

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WO2012050172A1
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ultrasonic transducer
insulating film
protrusion
cavity
membrane
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PCT/JP2011/073582
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泰一 竹崎
俊太郎 町田
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株式会社日立メディコ
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    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines
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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • H04R19/04—Microphones

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer and an ultrasonic diagnostic apparatus using the ultrasonic transducer, and more particularly to an ultrasonic transducer manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Ultrasonic transducers are used for diagnosis of tumors in the human body, nondestructive inspection of structures, fluid velocity detection, etc. by transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • CMUT Capacitive Micromachined Ultrasonic
  • Patent Document 1 the protrusion of the insulating film protruding in the cavity portion of the CMUT is formed, and the lower surface of the protrusion is in contact with the lower surface of the cavity even when a DC voltage higher than the collapse voltage or an AC voltage is applied. A structure is shown in which does not contact the lower surface of the cavity. However, since the protrusion has a structure sandwiched between the upper and lower electrodes, charge injection into the insulating film of the protrusion is inevitable.
  • Patent Document 2 has a structure in which a part of the electrode is pierced so that the region where the lower surface of the membrane contacts the lower surface of the cavity is not sandwiched between the upper and lower electrodes.
  • the electric field strength in the membrane insulating film in the contact region is reduced, so that charge injection can be avoided, but the area of the overlapping portion of the upper and lower electrodes is reduced correspondingly, the drive voltage of the CMUT is increased, The reception sensitivity will be reduced.
  • Patent Document 3 the protrusion of the insulating film protruding into the cavity is not sandwiched between the upper and lower electrodes. In this case as well, for the same reason as described above, the CMUT drive voltage increases and the reception sensitivity decreases.
  • Patent Document 4 describes the content of adjusting the rigidity of the entire membrane and controlling the center frequency and bandwidth of the CMUT by providing a rigid member on the membrane.
  • the introduction of the rigid member brings about an increase in driving voltage, and securing device operation reliability becomes a problem.
  • the present invention provides a CMUT having a protrusion protruding into a cavity, and at least one of the upper electrode and the lower electrode is disposed at a position where the protrusion does not overlap with the protrusion as viewed from above, and the lower surface of the protrusion is the lower surface of the cavity.
  • the ultrasonic transducer has a high transmission sound pressure and a highly reliable structure that secures a voltage margin between the lower surface of the membrane and the lower surface of the membrane in contact with the lower surface of the cavity, and suppresses charge injection into the membrane insulating film.
  • An object is to provide an ultrasonic diagnostic apparatus.
  • an ultrasonic transducer of the present invention includes a lower electrode, a cavity formed on the lower electrode and surrounded by an insulating film, and an upper electrode formed on the cavity.
  • the ultrasonic transducer having a plurality of insulating film protrusions formed in the cavity includes a plurality of rigid members formed on the cavity, and includes at least one of the lower electrode and the upper electrode.
  • the electrode is disposed at a position where it does not overlap with the protrusion of the insulating film when viewed from the top surface by penetrating the portion overlapping the protrusion of the insulating film, and each of the rigid members is viewed from the protrusion and top surface of the insulating film. They are arranged so that there are overlapping regions.
  • the rigid member is a beam member
  • the membrane including the insulating film, the upper electrode, and the beam member has a thickness of a portion where the beam member is disposed.
  • the beam member may be thicker than the portion where the member is not disposed.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention may further include an upper insulating film formed so as to cover the upper electrode and the cavity, and the beam member may be disposed on the upper insulating film.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention may further include an upper insulating film formed to cover the upper electrode and the cavity, and the beam member may be embedded in the upper insulating film. .
  • the rigid member may be a member having a higher Young's modulus than the membrane formed by the insulating film, the upper electrode, and the beam member.
  • the ultrasonic transducer according to the present invention further includes an upper insulating film formed so as to cover the upper electrode and the cavity, and the high Young's modulus member is embedded in the upper insulating film. Things can be used.
  • the high Young's modulus member may be formed by embedding a metal material such as tungsten or a ceramic material such as alumina.
  • the high Young's modulus member may be formed by modifying the upper insulating film by ion implantation.
  • the center of the rigid member may be disposed so as to coincide with the center of the protrusion of the insulating film as viewed from above.
  • the plurality of insulating film protrusions may be arranged so as to overlap one rigid member.
  • the protrusion of the insulating film may be disposed on the upper surface of the cavity.
  • the protrusion of the insulating film may be disposed on the lower surface of the cavity.
  • the plurality of insulating film protrusions and the plurality of rigid members may be arranged at equal intervals when viewed from above.
  • the cavity may be circular or polygonal when viewed from above.
  • the protrusion of the insulator may be circular or polygonal when viewed from above.
  • the rigid member may have a circular shape, a cross shape, or a polygonal shape as viewed from above.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention uses any one of the above-described ultrasonic transducers and a bias unit.
  • CMUT capacitance detection type ultrasonic transducer
  • the voltage margin between the state where the lower surface of the protrusion protruding into the cavity portion is in contact with the lower surface of the cavity and the state where the lower surface of the membrane is in contact with the lower surface of the cavity is expanded.
  • at least a part of the protrusion protruding into the cavity and the rigid member or high Young's modulus member provided on the membrane when the CMUT is viewed from above This is realized by arranging the two to overlap.
  • a cavity 102 surrounded by an insulating film 103 is formed in the upper layer of the lower electrode 101.
  • An upper electrode 104 is disposed on the cavity 102 via an insulating film 103.
  • electrostatic force acts between the upper electrode 104 and the lower electrode 101, and the insulating film 103 and the upper electrode 104 on the cavity 102 are formed.
  • the membrane 105 vibrates at the frequency of the applied AC voltage, thereby transmitting an ultrasonic wave.
  • SN ratio signal-to-noise ratio
  • CMUT complementary metal-oxide-semiconductor
  • the amount of change in capacity at the time of reception may be increased. It is possible to increase the amount of change in capacitance by increasing the number and area of CMUTs. In this case, however, the size of the transducer becomes large, and thus it is necessary to increase the amount of change in capacitance per unit area. That is, it is necessary to improve reception sensitivity. Alternatively, it is possible to increase the amount of change in capacity at the time of reception by increasing the transmission sound pressure and increasing the sound pressure of the ultrasonic wave reflected from the inspection object.
  • the membrane lower surface 106 contacts the cavity lower surface 107 during driving, charge injection occurs in the insulating film, and the transmission / reception characteristics drift. Therefore, it is necessary to set CMUT driving conditions in a range in which the membrane lower surface 106 does not contact the cavity lower surface 107.
  • the height of the cavity 102 varies due to manufacturing variations, so that the driving conditions are designed with a margin in addition to the condition that the membrane does not contact, and the amplitude of the membrane is much smaller than the height of the cavity 102.
  • the upper limit of the transmission sound pressure is limited.
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the protrusion 108 provided on the lower side of the membrane 105 is in contact with the cavity lower surface 107. This state is referred to as a protrusion contact state.
  • a voltage higher than the voltage at which the protrusion is brought into contact is applied.
  • the membrane rigidity in the protrusion contact state is increased without increasing the rigidity of the entire membrane when the protrusion lower surface 106 is not in contact with the cavity lower surface 107, the above margin voltage can be widened. Transmission sound pressure can be improved without drifting of transmission / reception characteristics.
  • the cross-sectional structure of the CMUT according to this embodiment will be described with reference to FIG.
  • the CMUT includes a rectangular parallelepiped lower electrode 201 disposed on the substrate 206, a rectangular parallelepiped cavity 202 disposed on the lower electrode 201, a rectangular parallelepiped upper electrode 205 disposed on the cavity 202, and the like. Composed. Note that an insulating film 209 is formed between the lower electrode 201 and the cavity portion 202 so as to cover the lower electrode 201, and the cavity portion 202 and the lower electrode 201 are covered between the upper electrode 205 and the cavity portion 202.
  • An insulating film 208 is formed, and at least one columnar protrusion 204 protruding from the lower surface of the insulating film 208 to the cavity 202 is disposed in the cavity 202.
  • An insulating film 207 covers the insulating film 208.
  • the protrusions 204 and the insulating films 207, 208, and 209 described above are formed of silicon oxide, silicon nitride, or the like.
  • the beam member as the rigid member 203 may be formed of the same material such as silicon oxide, silicon nitride, or the like, as with the insulating films 207, 208, and 209, or may be a different material. Note that ultrasonic waves are transmitted when the membrane 210 including the insulating film 207, the upper electrode 205, and the insulating film 208 vibrates. In the future, for convenience of explanation, the surface of the protrusion 204 that faces the insulating film 209 across the cavity is referred to as the protrusion lower surface 211, and the surface of the insulating film 209 that is exposed to the cavity is referred to as the cavity lower surface 213. .
  • a surface of the membrane 210 that is exposed to the cavity is referred to as a membrane lower surface 212.
  • the protrusion lower surface 211 is in contact with the cavity lower surface 213, the voltage at that time is the protrusion contact voltage, the membrane lower surface 212 is in contact with the cavity lower surface 213, the membrane contact, and the voltage at that time is membrane contact This is called voltage.
  • the difference between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage is referred to as a margin voltage.
  • the method for manufacturing the CMUT shown in FIG. 1 will be described.
  • the basic manufacturing method is described in Patent Document 3, and here, a method of forming a beam member which is the rigid member 203 will be described.
  • the beam member is formed by a photolithography technique and a dry etching technique by depositing a thin film, such as silicon oxide or silicon nitride, which is a material of the beam member on the insulating film 207 by a plasma CVD method.
  • a thin film such as silicon oxide or silicon nitride
  • care must be taken so that the insulating film 207 does not become thin during dry etching.
  • the beam member that is the rigid member 203 is a laminated film in the order of silicon nitride and silicon oxide when viewed from above, and the insulating film 207 is made of silicon nitride so that the base after the etching of the beam member that is the rigid member 203 is completed.
  • the amount of the insulating film 207 is reduced, and the amount of change in the thickness of the membrane 210 before and after etching can be reduced.
  • FIG. 2 shows a top view of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
  • the protrusion 204 and the like are seen through from the rigid member 203.
  • the cavity 202 and the upper electrode 205 have a width in the vertical direction and a length in the horizontal direction, and the rigid member 203 has a length in the vertical direction and a width in the horizontal direction.
  • the shape of the upper electrode 205 will be described.
  • the upper electrode 205 has a plurality of circular holes.
  • the protrusions 204 are arranged at substantially the center positions of the plurality of circular holes 214 of the upper electrode 205. Since the protrusion 204 is disposed in the hole 214 of the upper electrode 205 when viewed from the upper surface, the protrusion 204 is disposed at a position not overlapping the upper electrode 205. That is, there is no upper electrode 205 in the vertical direction of the protrusion 204. In FIG. 2, a part of the upper electrode 205 is penetrated, and the protrusion 204 and the upper electrode 205 are arranged so as not to overlap when viewed from above, but the electrode that penetrates may be the lower electrode 201. .
  • At least one of the upper electrode 205 and the lower electrode 201 is disposed at a position that does not overlap the protrusion 204 when viewed from above.
  • the reason for this arrangement is that when a DC voltage or an AC voltage is applied between the electrodes, and when the lower surface of the protrusion 211 comes into contact with the lower surface of the cavity 213, a strong electric field is applied to the protrusion 204 and the insulating film 209. This is because the distance between the electrodes is increased by penetrating the electrodes so that the electric field strength is reduced.
  • At least one protrusion 204 is arranged at the center in the width direction of the cavity 202 when viewed from above.
  • the rigid member 203 is disposed so as to partially overlap the hole 214 and the protrusion 204 of the upper electrode 205 as viewed from above.
  • the rigid members 203 and the protrusions 204 are arranged at equal intervals in the cavity length direction when viewed from the top, but they may be arranged at unequal intervals. However, in the case of unequal intervals, a plurality of membrane contact voltages exist in one CMUT, which is not preferable in terms of design.
  • the interval between the rigid members 203 and the protrusions 204 is preferably determined from the magnitude relationship between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage, the distance between the rigid member 203 and the protrusion 204 is narrowed to improve the membrane contact voltage. However, if the interval between the protrusions 204 is narrowed, the area of the upper electrode 205 is reduced and the sensitivity of the CMUT is lowered. Therefore, it is preferable to set the protrusion interval so as to satisfy the minimum marginal voltage at the design stage.
  • the feature of the first embodiment is that at least one of the upper electrode 205 and the lower electrode 201 is disposed at a position where it does not overlap with the protrusion 204 protruding into the cavity 202 when viewed from above.
  • the rigid member 203 and the protrusion 204 provided on the membrane 210 are arranged so as to partially overlap each other when viewed from above.
  • membrane contact in order to obtain a high transmission sound pressure, membrane contact can be prevented even when the membrane 210 is vibrated to the maximum extent under the driving conditions in which the protrusion lower surface 211 contacts the cavity lower surface 213.
  • the membrane contact voltage may be partially lower than the design due to manufacturing variations.
  • the above structure prevents the membrane contact and injects charge into the insulating film 208 of the membrane 210. Can be reduced. For this reason, the operation reliability of CMUT can be improved.
  • FIG. 6 shows a simulation result in which an external force of a certain magnitude is uniformly applied to the entire membrane 310 from the protrusion contact state of FIG. 6 and the strain of the membrane 310 is plotted by the distance from the center of the protrusion 304.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the positional relationship between the rigid member and the protrusion and the magnitude of strain near the protrusion. As shown in FIG.
  • FIG. 8C shows the relationship between the displacement d between the rigid member and the protrusion and the membrane contact voltage.
  • FIG. 9 which is a top view
  • the cuboidal rigid member 303 and the columnar protrusion 304 partially overlap each other when viewed from above, there is an effect of reducing distortion in the vicinity of the protrusion.
  • the shape and arrangement of the rigid member 303 viewed from the upper surface may be appropriately determined according to desired frequency characteristics.
  • at least a part of the plurality of columnar protrusions 304 may overlap with each other when viewed from above with respect to one rectangular solid member 303.
  • the plurality of protrusions 304 are arranged so as not to overlap with the upper electrode 305 when viewed from the upper surface in the same manner as described above.
  • the rigid member 303 is arranged so that at least a part of the plurality of protrusions 304 overlap each other when viewed from above.
  • Such a structure is effective as a means for improving the membrane contact voltage when the cavity 302 is wide and the rigidity in the cavity width direction is low.
  • the shape of the rigid member 303 may be a cross shape. In this structure, in the membrane between the protrusions 304, the membrane becomes thick at the portion where the rigid member 303 is disposed, and the rigidity can be improved.
  • the contact voltage of the membrane between the protrusions can be improved.
  • the rigidity of the membrane between the protrusions can be increased, but the area of the rigid member 203 is increased, the rigidity of the entire membrane is increased, and the driving voltage is increased.
  • the contact voltage of the interprotrusion membrane can be increased without greatly changing the drive voltage.
  • the shape of the membrane 310 be flat, a bulge or a dent may occur due to the residual stress of the formed film.
  • the place where the rigid member 303 is embedded is changed.
  • the residual stress distribution of the membrane 310 can be controlled, and the bulge or dent shape of the membrane 310 can be controlled.
  • the structure of the CMUT according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the CMUT includes a rectangular parallelepiped lower electrode 501 disposed on the substrate 506, a cavity 502 disposed on the lower electrode 501, a rectangular parallelepiped upper electrode 505 disposed on the cavity 502, and the like.
  • an insulating film 509 is formed between the lower electrode 501 and the cavity 502 so as to cover the lower electrode 501, and the cavity 502 and the lower electrode 501 are covered between the upper electrode 505 and the cavity 502.
  • An insulating film 508 is formed. At least one or more columnar protrusions 504 protruding from the upper surface of the insulating film 509 to the cavity 502 are disposed in the cavity 502.
  • the protrusion 504 is made of an insulating film. Further, at least one cuboid rigid member 503 is disposed on the upper surface of the insulating film 507.
  • the beam member that is the rigid member 503 may be formed of the same material such as silicon oxide, silicon nitride, or the like, like the insulating films 507, 508, and 509, or may be a different material. Note that the membrane 510 including the insulating film 507, the upper electrode 505, and the insulating film 508 vibrates to transmit ultrasonic waves.
  • the surface of the protrusion 504 facing the insulating film 508 across the cavity is referred to as the protrusion upper surface 514, and the surface of the insulating film 509 exposed to the cavity is referred to as the cavity lower surface 513.
  • the surface of the membrane 510 that is exposed to the cavity is referred to as a membrane lower surface 512.
  • the protrusion upper surface 514 is in contact with the membrane lower surface 512, the voltage at that time is the protrusion contact voltage, the membrane lower surface 512 is in contact with the cavity lower surface 513, the membrane contact, and the voltage at that time is the membrane contact voltage. I will call it.
  • the difference between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage is referred to as a margin voltage.
  • the interval between the rigid members 503 and the protrusions 504 is preferably determined from the magnitude relationship between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage, as described in the first embodiment. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage, the gap between the rigid member 503 and the protrusion 504 is narrowed to improve the membrane contact voltage.
  • the protrusion 504 protrudes from the cavity lower surface 513 to the cavity 502.
  • the projection 304 shown in FIG. 6 is in the same state as the structure protruding from the membrane lower surface 312 to the cavity 302. Therefore, even in the structure in which the protrusion 504 protrudes from the cavity lower surface 513, the difference between the protrusion contact voltage and the membrane contact voltage can be increased by arranging the rigid member and the protrusion so that the centers of the protrusions coincide with each other when viewed from above. The same effect as the ultrasonic transducer of Example 1 can be obtained.
  • the maximum effect can be obtained when the centers of the rigid member 503 and the protrusion 504 coincide with each other when viewed from above, but there is an effect if even a part of them overlaps.
  • the rigid member is disposed on the membrane surface.
  • the rigid portion 503 may be embedded in the membrane 510, and the same as described in the first embodiment.
  • the shape of the membrane 510 can be easily controlled.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing one CMUT.
  • the CMUT cell includes a rectangular parallelepiped lower electrode 701, a hollow portion 702 disposed on the lower electrode 701, a rectangular parallelepiped upper electrode 705 disposed on the hollow portion 702, and the like. Note that an insulating film 709 is formed between the lower electrode 701 and the cavity 702 so as to cover the lower electrode 701, and the cavity 702 and the lower electrode 701 are covered between the upper electrode 705 and the cavity 702. An insulating film 708 is formed.
  • the protrusion 704 protruding from the lower surface of the insulating film 708 to the cavity portion 702 is disposed.
  • the protrusion 704 is made of an insulating film.
  • the protrusions 704 and the insulating films 707, 708, and 709 described above are formed of silicon oxide, silicon nitride, or the like.
  • a rectangular parallelepiped high Young's modulus member 703 is embedded in the membrane 710. In FIG. 15, the high Young's modulus member 703 is embedded in the insulating film 707, but may be embedded in the insulating film 708, or may be embedded in both the insulating film 707 and the insulating film 708.
  • the high Young's modulus member 703 is made of a material having a higher Young's modulus than the surrounding insulating film 707 and the insulating film 708, for example, a metal material such as tungsten, a ceramic material such as alumina, or an ion implantation.
  • the film 708 is modified to improve the Young's modulus.
  • the surface of the protrusion 704 that faces the insulating film 709 across the cavity is referred to as the protrusion lower surface 711, and the surface of the insulating film 709 that is exposed to the cavity is referred to as the cavity lower surface 713.
  • the surface of the membrane 710 that is exposed to the cavity is referred to as a membrane lower surface 712.
  • the protrusion lower surface 711 is in contact with the cavity lower surface 713, the voltage at that time is the protrusion contact voltage, the membrane lower surface 712 is in contact with the cavity lower surface 713, and the voltage at that time is the membrane contact voltage. I will call it.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
  • the protrusion 704 and the like are seen through the high Young's modulus member 703.
  • the cavity 702 and the upper electrode 705 have a width in the vertical direction and a length in the horizontal direction
  • the high Young's modulus member 703 has a length in the vertical direction and a width in the horizontal direction.
  • At least one protrusion 704 is arranged at the center in the width direction of the cavity 702 when viewed from above.
  • the high Young's modulus member 703 is disposed so that the center portion thereof coincides with each of the protrusions 704 when viewed from above.
  • at least one of the upper electrode 705 and the lower electrode 701 is disposed at a position that does not overlap with the protrusion 704 when viewed from above. In FIG. 16, a part of the upper electrode 705 is penetrated, and the protrusion 704 and the upper electrode 705 are arranged so as not to overlap when viewed from above, but the electrode that penetrates may be the lower electrode 701. .
  • the reason for this arrangement is that when a DC voltage or an AC voltage is applied between the electrodes and the protrusion lower surface 711 contacts the cavity lower surface 713, a strong electric field is applied to the protrusion 704 and the insulating film 709, and charge injection is performed. This is because the distance between the electrodes is increased by penetrating the electrodes so that the electric field strength is reduced.
  • the high Young's modulus material 703 and the protrusions 704 are arranged at equal intervals in the cavity length direction, but may be unequal intervals. However, in the case of unequal intervals, a plurality of membrane contact voltages exist in one CMUT, which is not preferable in design.
  • the interval between the high Young's modulus members 703 and the protrusions 704 is preferably determined from the magnitude relationship between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage, the distance between the high Young's modulus member 703 and the protrusion 704 is narrowed to improve the membrane contact voltage.
  • the feature of the third embodiment is that at least one of the upper electrode 705 and the lower electrode 701 is disposed at a position where it does not overlap with the protrusion 704 protruding into the cavity 702 when viewed from above.
  • the high Young's modulus member 703 and the protrusion 704 provided on the membrane 710 are arranged so as to partially overlap each other when viewed from above.
  • the rigidity is locally increased by disposing a high Young's modulus member inside the membrane in a region overlapping the protrusion 704 when viewed from above.
  • membrane contact in order to obtain a high transmission sound pressure, membrane contact can be prevented even when the membrane 710 is vibrated to the maximum under a driving condition in which the projecting lower surface 711 contacts the cavity lower surface 713.
  • the membrane contact voltage may be partially lower than the design due to manufacturing variations.
  • the above structure prevents the membrane contact and charges the insulating film 708 of the membrane 710. Injection can be reduced. For this reason, the operation reliability of CMUT can be improved.
  • the CMUT surface can be made flat.
  • the structure of the CMUT according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the CMUT includes a rectangular parallelepiped lower electrode 701 disposed on the substrate 706, a cavity 702 disposed on the lower electrode 701, a rectangular parallelepiped upper electrode 705 disposed on the cavity 702, and the like.
  • an insulating film 709 is formed between the lower electrode 701 and the cavity 702 so as to cover the lower electrode 701, and the cavity 702 and the lower electrode 701 are covered between the upper electrode 705 and the cavity 702.
  • An insulating film 708 is formed.
  • In the cavity 702, at least one columnar protrusion 704 protruding from the upper surface of the insulating film 709 to the cavity 702 is disposed.
  • the protrusion 704 is made of an insulating film.
  • at least one rectangular parallelepiped high Young's modulus member 703 is embedded in the upper surface of the insulating film 707.
  • the surface of the protrusion 704 that faces the insulating film 708 across the cavity is referred to as the protrusion upper surface 714
  • the surface of the insulating film 709 that is exposed to the cavity is referred to as the cavity lower surface 713
  • the surface of the membrane 710 that is exposed to the cavity is referred to as a membrane lower surface 712.
  • the protrusion upper surface 714 is in contact with the membrane lower surface 712, the voltage at that time is the protrusion contact voltage, the membrane lower surface 712 is in contact with the cavity lower surface 713, and the voltage at that time is the membrane contact voltage. I will call it.
  • the interval between the high Young's modulus members 703 and the protrusions 704 is preferably determined from the magnitude relationship between the membrane contact voltage and the protrusion contact voltage. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage, the distance between the high Young's modulus member 703 and the protrusion 704 is narrowed to improve the membrane contact voltage.
  • Example 3 The difference from Example 3 described above is that the protrusion 704 protrudes from the cavity lower surface 713 into the cavity 702.
  • the membrane lower surface 712 comes into contact with the protrusion upper surface 714, a state similar to the protrusion contact state of the structure shown in FIG. 15 is obtained. Therefore, even in the structure in which the protrusion 704 protrudes from the cavity lower surface 713, the difference between the protrusion contact voltage and the membrane contact voltage can be increased by arranging the high Young's modulus member and the center of the protrusion to coincide with each other when viewed from above. Since the operation reliability of the CMUT can be improved, the same effect as that of the ultrasonic transducer of the third embodiment can be obtained.
  • the ultrasonic transducer of the third embodiment it is effective if the high Young's modulus member and the protrusion partially overlap each other when viewed from above. With such a structure, there is a feature that it is easy to design the frequency characteristics of the CMUT because the protrusion is not on the membrane side of the CMUT vibration part.
  • FIG. 18 is a top view showing the ultrasonic transducer of the fifth embodiment.
  • This ultrasonic transducer includes a circular projection 804, a circular membrane 810, and a circular rigid member 803 or a high Young's modulus member 805 on the upper surface of the membrane 810.
  • the rigid member 803 and the protrusion 804 are disposed between the center of the membrane 810 and the upper, lower, left and right membrane ends.
  • the rigid member 803 and the protrusion 804 are arranged so that a part thereof overlaps when viewed from above.
  • the circular protrusion 804 is an example, and may be other polygonal shapes such as a triangular shape, a pentagonal shape, and a heptagonal shape.
  • the rigid member 803 or the high Young's modulus member 805 is also an example of a circular shape, and may be another polygonal shape such as a triangular shape, a pentagonal shape, or a heptagonal shape.
  • the number and arrangement of the rigid members 803 and the protrusions 804 may be determined by the magnitude relationship between the protrusion contact voltage and the membrane contact voltage. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage in the structure of FIG. 18, the number of rigid members 803 and protrusions 804 should be increased. In this case, the location where the membrane contacts with the membrane contact voltage is good.
  • FIG. 19 is a top view showing the ultrasonic transducer of the sixth embodiment.
  • This ultrasonic transducer includes a circular protrusion 904, an octagonal membrane 910, and a circular rigid member 903 or a high Young's modulus member 905 on the upper surface of the membrane 910.
  • the rigid member 903 and the protrusion 904 are disposed at the center of the membrane 910 and the periphery thereof.
  • the rigid member 903 and the protrusion 904 are arranged so that a part thereof overlaps when viewed from above.
  • the octagonal membrane 910 is an example, and may be other polygonal shapes such as a triangular shape, a pentagonal shape, and a heptagonal shape.
  • the circular protrusion 904 is an example, and may be other polygonal shapes such as a triangular shape, a pentagonal shape, and a heptagonal shape.
  • the rigid member 903 or the high Young's modulus member 905 is also an example of a circular shape, and may be another polygonal shape such as a triangular shape, a pentagonal shape, or a heptagonal shape.
  • the number and arrangement of the rigid members 903 and the protrusions 904 may be determined according to the magnitude relationship between the protrusion contact voltage and the membrane contact voltage. For example, when the membrane contact voltage is lower than the protrusion contact voltage in the structure of FIG. 19, the number of rigid members 903 and protrusions 904 should be increased. In this case, the location where the membrane contacts with the membrane contact voltage is good.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1001 includes an ultrasonic probe 1002, a transmission / reception separation unit 1003, a transmission unit 1004, a bias unit 1006, a reception unit 1008, a phasing addition unit 1010, an image processing unit 1012, a display unit 1014, a control unit 1016, The operation unit 1018 is configured.
  • the ultrasonic probe 1002 is a device that transmits and receives ultrasonic waves to and from the subject by contacting the subject. An ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic probe 1002 to the subject, and a reflected echo signal from the subject is received by the ultrasonic probe 1002.
  • the ultrasonic transducer according to any of the first to sixth embodiments is housed in the ultrasonic probe 1002 and is electrically connected to a transmission / reception separating unit 1003 described later.
  • the transmission unit 1004 and the bias unit 1006 are devices that supply drive signals to the ultrasound probe 1002.
  • the receiving unit 1008 is a device that receives a reflected echo signal output from the ultrasonic probe 1002.
  • the receiving unit 1008 further performs processing such as analog-digital conversion on the received reflected echo signal.
  • the transmission / reception separating unit 1003 switches between transmission and reception so as to pass a drive signal from the transmission unit 1004 to the ultrasonic probe 1002 at the time of transmission, and to pass a reception signal from the ultrasonic probe 1002 to the reception unit 1008 at the time of reception.
  • the phasing addition unit 1010 is a device that performs phasing addition of the received reflected echo signals.
  • the image processing unit 1010 is a device that configures a diagnostic image (for example, a tomographic image or a blood flow image) based on the reflected echo signal subjected to phasing addition.
  • the display unit 1014 is a display device that displays a diagnostic image subjected to image processing.
  • the control unit 1016 is a device that controls each component described above.
  • the operation unit 1018 is a device that gives an instruction to the control unit 1016.
  • the operation unit 1018 is configured by an input device such as a trackball, a keyboard, or a mouse, for example.
  • the ultrasonic transducer of the present invention can be used for an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic probe, a defect inspection apparatus inside the structure, an object position detection apparatus, a flow velocity measurement apparatus, and the like. Further, high transmission sound pressure and high reception sensitivity can be realized, and reliability in long-term driving can be improved.

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Abstract

　容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）において、高送信音圧と高受信感度を実現し、また長期間駆動における信頼性を向上させる。下部電極（２０１）と、前記下部電極上に形成された、絶縁膜（２０９、２０８）で囲まれた空洞部（２０２）と、前記空洞部上に形成された上部電極（２０５）と、前記空洞部（２０２）内に形成された複数の絶縁膜の突起（２０４）を備えた超音波トランスデューサにおいて、前記空洞部上に形成された複数の剛性部材（２０３）を備え、前記下部電極（２０１）と前記上部電極（２０５）のうちの少なくとも一方の電極は、前記絶縁膜の突起（２０４）と重なる部分を刳り貫くことにより、前記絶縁膜の突起（２０４）と上面から見て重ならない位置に配置され、前記剛性部材（２０３）のそれぞれは前記絶縁膜の突起（２０４）と上面から見て重なる領域が存在するように配置されている。

Description

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
　本発明は、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に関するものであり、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造した超音波トランスデューサに関するものである。
　超音波トランスデューサは、超音波を送信、受信することにより、人体内の腫瘍などの診断や、構造物の非破壊検査、流体の速度検知などに用いられている。
　これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）が盛んに開発されている。
  例えば、特許文献１、特許文献２や特許文献３には、ＣＭＵＴの動作信頼性向上について開示されている。また、特許文献４には、ＣＭＵＴの中心周波数と帯域幅を制御する方法について開示されている。
米国特許出願公開第２００５／０２２８２８５号明細書 米国特許出願公開第２００９／０３２２１８１号明細書 特開２００７－７４２６３号公報 国際公開第２００７／０４６１８０号
　前記特許文献１では、ＣＭＵＴの空洞部に突き出た絶縁膜の突起を形成し、コラプス電圧以上の直流電圧や、交流電圧を印加した場合でも、突起下面は、空洞下面に接触するが、メンブレン下面が空洞下面に接触しない構造が示されている。しかし、突起部は上下電極に挟まれた構造であるため、突起部の絶縁膜への電荷注入は免れない。
　一方、前記特許文献２では、メンブレン下面が空洞下面に接触する領域が上下電極に挟まれないよう電極の一部を刳り貫いた構造となっている。この構造の場合、接触領域におけるメンブレン絶縁膜中の電界強度が低減されるため、電荷注入は回避できるが、その分、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を招くことになる。
　また、前記特許文献３では、空洞部へ突き出た絶縁膜の突起が、上下電極に挟まれない構造となっている。この場合も上記の理由と同様に、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や受信感度の低下を招くことになる。
　前記特許文献４は、メンブレンに剛性部材を設けることで、メンブレン全体の剛性を調整し、ＣＭＵＴの中心周波数と帯域幅を制御する内容である。しかし、剛性部材の導入は駆動電圧の上昇をもたらし、デバイス動作信頼性の確保が課題となる。
　そこで、本発明は、空洞部に突き出た突起を有し、上部電極と下部電極のうち少なくとも一方の電極は突起と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、突起下面が空洞下面に接触してからメンブレン下面が空洞下面に接触する間の電圧マージンを確保し、メンブレン絶縁膜への電荷注入を抑制し、高送信音圧と高信頼構造を有する超音波トランスデューサとそれを用いた超音波診断装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の超音波トランスデューサは、下部電極と、前記下部電極上に形成された、絶縁膜で囲まれた空洞部と、前記空洞部上に形成された上部電極と、前記空洞部内に形成された複数の絶縁膜の突起を備えた超音波トランスデューサにおいて、前記空洞部上に形成された複数の剛性部材を備え、前記下部電極と前記上部電極のうちの少なくとも一方の電極は、前記絶縁膜の突起と重なる部分を刳り貫くことにより、前記絶縁膜の突起と上面から見て重ならない位置に配置され、前記剛性部材のそれぞれは前記絶縁膜の突起と上面から見て重なる領域が存在するように配置されていることを特徴とするものである。
　本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材は梁部材であり、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンは、前記梁部材が配置されている部分の厚さが、梁部材が配置されてない部分と比べて梁部材の厚さ分厚いものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜上に配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれているものでよい。
　本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材は、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンよりも高ヤング率の部材でよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記高ヤング率の部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記高ヤング率の部材は、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料を埋め込んで形成したものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記高ヤング率の部材は、イオンの打ち込みにより前記上部絶縁膜を改質して形成したものでよい。
　本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材の中心は前記絶縁膜の突起の中心と上面から見て一致するように配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、一つの前記剛性部材に対して複数の前記絶縁膜の突起が重なるように配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記絶縁膜の突起が前記空洞部の上面に配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記前記絶縁膜の突起が前記空洞部の下面に配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記複数の絶縁膜の突起と前記複数の剛性部材が上面から見て等間隔に配置されているものでよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記空洞部が上面から見て、円形状または多角形状でよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記絶縁物の突起が上面から見て、円形状または多角形状でよい。
  また、本発明の超音波トランスデューサにおいて、前記剛性部材が上面から見て、円形状、十字型形状または多角形状でよい。
　本発明の超音波診断装置は、上記何れか一つの超音波トランスデューサとバイアス部を用いたものである。
　本発明によれば、容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）において、高送信音圧と高受信感度を実現することができ、また、長期間駆動における信頼性を向上させることができる。
本発明の実施例１の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明者らが検討した、ＣＭＵＴ超音波トランスデューサの断面図である。 本発明者らが検討した、超音波トランスデューサの突起が空洞下面に接触した状態の断面図である。 本発明者らが検討した、超音波トランスデューサのメンブレンが空洞下面に接触した断面図である。 突起が空洞下面に接触した状態を示した断面図である。 突起が空洞下面に接触した状態である一定の外力をメンブレンに加えた場合のメンブレンのひずみを突起中心からの距離でプロットしたグラフである。 メンブレンに配置された剛性部材と突起の中心のずれ量と突起近傍のひずみおよびメンブレン接触電圧の関係を示したグラフである。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材と突起の中心が一致していない場合の上面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材と複数の突起が重なっている場合の上面図である。 本発明の実施例１の超音波トランスデューサで、剛性部材が十字形状の場合の上面図である。 本発明の実施例１の他の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例２の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例２の他の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例３の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例３の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例４の超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施例５の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例６の超音波トランスデューサの上面図である。 本発明の実施例７の超音波診断装置の構成ブロック図である。
　以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
　以下の実施例においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。
　下記の実施例の記載では、容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）において、空洞部に突き出た突起の下面が空洞下面へ接触した状態からメンブレン下面が空洞下面に接触する状態間の電圧マージンを拡げることでメンブレン絶縁膜への電荷注入や絶縁耐圧の低下を抑制するという目的を、ＣＭＵＴを上面から見て、空洞に突き出た突起とメンブレンに設けられた剛性部材或いは高ヤング率部材の少なくとも一部が重なっている配置とすることで実現している。
　図３を用いて、ＣＭＵＴの基本的な構造および動作を説明する。下部電極１０１の上層に絶縁膜１０３に囲まれた空洞部１０２が形成されている。空洞部１０２上には絶縁膜１０３を介して上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、空洞部１０２上の絶縁膜１０３と上部電極１０４で構成されるメンブレン１０５が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波を発信する。
  受信の場合は、上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧のみを印加しておき、メンブレン１０５の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０５が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、容量の変化として超音波を検出できる。
　超音波トランスデューサとして最も重要な性能の一つは信号対雑音比（SN比）が高いことである。例えば、超音波診断装置や探傷検査装置においてSN比が高いことは画質が鮮明であることに相当し、装置の性能上重要である。CMUTにおいてSN比を高くするためには、受信時の容量変化量を大きくすれば良い。CMUTの数や面積を増やして、容量変化量を増やすこともできるが、その場合トランスデューサのサイズが大きくなってしまうので、単位面積当たりの容量変化量を大きくする必要がある。つまり、受信感度を向上させることが必要である。または、送信音圧を大きくし、検査対象物から反射してくる超音波の音圧を上げることで受信時の容量変化量を大きくすることも可能である。
　受信感度を向上するためには、上部電極１０４と下部電極１０１の間隔をできるだけ狭くした方がよいので、できるだけ大きな直流電圧を印加することが必要である。しかし、メンブレンの変形量が真空換算で両電極間の３分の１以上の距離になると、電極間の静電気力がメンブレンのバネ復元力よりも大きくなり、メンブレン下面１０６が空洞部下面１０７に接触する。この電圧をコラプス電圧という。以上の理由から、受信時はコラプス電圧よりもわずかに小さな直流電圧を印加することになる。
　一方、送信音圧を向上するためには、メンブレンの振幅を最大限とすることが望ましい。しかし、駆動中にメンブレン下面１０６が空洞下面１０７に接触すると、絶縁膜中に電荷注入が生じ、送受信特性がドリフトする。そのため、CMUTの駆動条件は、メンブレン下面１０６が空洞下面１０７に接触しない範囲で設定する必要がある。実際には、製造ばらつきにより、空洞部１０２の高さがばらつくため、駆動条件はメンブレンが接触しない条件に加え、さらにマージンをもって設計され、メンブレンの振幅は空洞部１０２の高さよりもはるかに小さくなり、送信音圧の上限が制限される。
　そこで、空洞部へ突き出た絶縁膜の突起を形成し、さらにその突起が上下電極に挟まれない構造とするように電極を刳り貫くことで、突起接触部における電界強度が低減され、電荷注入は回避できる。しかし、電極を刳り貫くため、上下電極の重なり部の面積が小さくなり、ＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や、受信感度の低下を招くことになる。
　送受信特性のドリフトが生じずに、さらにＣＭＵＴの駆動電圧の上昇や受信感度の低下を招くことなく、高送信音圧を実現するためには、突起の数と電極の刳り貫き面積を必要最小限にすることが必要である。その際に注意すべきことについて図４と図５を用いて説明する。図４は、メンブレン１０５下側に設けられた突起１０８が空洞下面１０７に接触している状態を示す断面図である。この状態を突起接触状態と呼ぶことにする。高送信音圧を得るためには、メンブレンの振幅を最大限にするのが望ましいので、突起接触状態となる電圧以上の電圧を印加する。突起接触状態となる電圧以上の電圧を印加すると、突起１０８間のメンブレン１０５が空洞下面１０７に近づくように変形し、ある電圧以上で空洞下面１０７に接触する。この状態をメンブレン接触状態と呼び、図５に示す。このメンブレン接触状態では、メンブレン１０５へ電荷注入が生じるため、メンブレン接触状態にならないよう突起接触状態との電圧マージンを広くとることが動作信頼性向上のポイントとなる。電圧マージンを広げるには、メンブレン全体の剛性を上げれば良いが、駆動電圧も上がってしまうため、良策ではない。そこで、突起下面１０６が空洞下面１０７に非接触の状態でのメンブレン全体の剛性は上げずに、突起接触状態でのメンブレン剛性を上げるようにすれば、上記のマージン電圧を広くとることができ、送受信特性のドリフトなしに、送信音圧を向上できる。
　本実施例によるＣＭＵＴの断面構造を図１を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板２０６の上に配置された直方体の下部電極２０１と、下部電極２０１上に配置された直方体の空洞部２０２と、空洞部２０２上に配置された直方体の上部電極２０５などを備えて構成される。なお、下部電極２０１と空洞部２０２の間に下部電極２０１を覆うように絶縁膜２０９が形成されており、上部電極２０５と空洞部２０２の間に、空洞部２０２と下部電極２０１を覆うように絶縁膜２０８が形成され、空洞部２０２には、絶縁膜２０８下面から空洞部２０２に突き出た円柱状の突起２０４が少なくとも一つ以上配置されている。また、絶縁膜２０８の上には絶縁膜２０７が覆っている。上述した突起２０４や絶縁膜２０７、２０８、２０９は酸化シリコンや窒化シリコンなどで形成される。絶縁膜２０７の上面には、剛性部材２０３である直方体の梁部材が少なくとも一つ以上配置されている。この剛性部材２０３である梁部材は、絶縁膜２０７、２０８、２０９と同様に酸化シリコン、窒化シリコンなどのように同じ材料で形成されても良いし、また別の材料でも良い。なお、絶縁膜２０７、上部電極２０５、絶縁膜２０８で構成されるメンブレン２１０が振動することで超音波を送信する。今後は、説明の都合上、突起２０４のうち、絶縁膜２０９と空洞を挟んで対向している面を突起下面２１１、絶縁膜２０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面２１３と呼ぶ。また、メンブレン２１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面２１２と呼ぶ。そして、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触することを突起接触、また、その時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面２１２が空洞下面２１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。また、メンブレン接触電圧と突起接触電圧との差をマージン電圧と呼ぶことにする。
　図１に示すＣＭＵＴの製造方法について記載する。基本的な製造方法は特許文献３に記載されており、ここでは、剛性部材２０３である梁部材の形成方法について述べる。梁部材は、絶縁膜２０７上に梁部材の材料となる薄膜、例えば酸化シリコンや窒化シリコンをプラズマＣＶＤ法により堆積し、フォトグラフィ技術とドライエッチング技術により形成する。ここでメンブレン２１０の厚さはデバイス特性に大きな影響を与えるため、ドライエッチング時に絶縁膜２０７が薄くならないように注意が必要である。例えば、剛性部材２０３である梁部材を上側から見て窒化シリコン、酸化シリコンの順番となる積層膜とし、絶縁膜２０７を窒化シリコンとすることで、剛性部材２０３である梁部材エッチング終了後の下地の絶縁膜２０７の削れ量が少なくなり、メンブレン２１０の厚さのエッチング前後の変化量を少なく抑えることができる。
　本実施例によるＣＭＵＴの上面構造を図２を用いて説明する。図２は図１の上面図を示している。また、図１は図２の線A－A’で切断した断面図を示している。なお、図２において、説明の便宜上、剛性部材２０３から突起２０４等を透視して示している。今後は説明の都合上、空洞２０２、上部電極２０５については、紙面の縦方向を幅、横方向を長さとし、剛性部材２０３については、紙面縦方向を長さ、横方向を幅とする。まず、上部電極２０５の形状を記載する。例えば、上部電極２０５は、複数の円形状の穴部を有している。上面から見て、上部電極２０５の複数の円形状の穴部２１４のほぼ中央の位置に突起２０４がそれぞれ配置されている。上面から見て、突起２０４は上部電極２０５の穴部２１４に配置されているため、上部電極２０５とは重ならない位置に配置されていることになる。つまり、突起２０４の鉛直方向には上部電極２０５がない。図２では、上部電極２０５の一部が刳り貫かれており、上面から見て突起２０４と上部電極２０５は重ならないように配置されているが、刳り貫く電極は下部電極２０１であっても良い。重要であることは、上部電極２０５と下部電極２０１のうち、少なくとも一方の電極は突起２０４と上面から見て重ならない位置に配置されていることである。このような配置となっている理由は、直流電圧もしくは交流電圧を電極間に印加し、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触した場合に突起２０４と絶縁膜２０９に強電界が印加され、電荷注入が生じることがないように、電極を刳り貫くことで電極間距離を離し、電界強度を下げるためである。
　剛性部材２０３と突起２０４の位置関係について、図２を用いて説明する。突起２０４は、上面から見て空洞２０２の幅方向中央に少なくとも一つ以上配置されている。また、剛性部材２０３は、上部電極２０５の穴部２１４と突起２０４に対して、上面から見て一部でも重なるように配置されている。図１と図２では、剛性部材２０３と突起２０４が上面から見て空洞長さ方向に等間隔に配置されているが、不等間隔でもよい。ただし、不等間隔の場合、一つのＣＭＵＴ内に複数のメンブレン接触電圧が存在することになり、設計上好ましくないので、等間隔にするのがよい。また、剛性部材２０３同士と突起２０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材２０３と突起２０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。但し、突起２０４の間隔を狭くすると上部電極２０５の面積が減少し、ＣＭＵＴの感度低下を招くので、設計段階で必要最低限のマージン電圧を満たすような突起間隔にするのが良い。
　本実施例１の特徴は、図１と図２で示すように、上部電極２０５と下部電極２０１のうち、少なくとも一方の電極は空洞２０２に突き出た突起２０４と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、メンブレン２１０に設けられた剛性部材２０３と突起２０４とが上面から見て一部でも重なるように配置されていることである。このような構造にすることにより、突起２０４直上のメンブレンが厚くなり、剛性が上がり、マージン電圧を大きくとることができる。つまり、高送信音圧を得るために、突起下面２１１が空洞下面２１３に接触する駆動条件でメンブレン２１０を最大限に振動させる場合においても、メンブレン接触を防止することができる。実際のＣＭＵＴでは、製造ばらつきにより、部分的にメンブレン接触電圧が設計よりも低くなることがあるが、上記の構造にすることで、メンブレン接触を防止し、メンブレン２１０の絶縁膜２０８への電荷注入を低減することができる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。
　上面から見た場合に、剛性部材２０３と突起２０４とが一部でも重なるように配置すると良い理由を図６を用いて説明する。ここでのポイントは、上面から見て突起２０４と重なる領域のメンブレン２１０を厚くし、局所的に剛性を高くしている点である。なお、図６では図１で図示した絶縁膜２０７、上部電極２０５、絶縁膜２０８をまとめてメンブレン３１０として図示している。図７では、図６の突起接触状態からある大きさの外力をメンブレン３１０全体に一様に印加し、メンブレン３１０のひずみを突起３０４中心からの距離でプロットしたシミュレーション結果である。ひずみは突起３０４近傍で最大値となり、遠くなるにつれて単調に減少する。この結果は、突起接触状態からメンブレン３１０が変形する場合、突起３０４が固定端となるため、突起３０４の近傍のひずみが最大となることを意味している。したがって、突起近傍のひずみを低減することができれば、マージン電圧を拡げることができることになる。図８に、剛性部材と突起の位置関係と突起近傍のひずみの大きさの関係を示したグラフを示す。図８（ｂ）に示されるように、剛性部材と突起のずれ量ｄが小さい場合は、突起近傍のひずみは小さく、剛性部材と突起の中心が一致している場合が最小となる。一方、剛性部材と突起の重ならない場合、突起近傍のひずみは大きくなる。図８（ｃ）に、剛性部材と突起間のずれ量ｄとメンブレン接触電圧との関係を示す。ずれ量ｄが小さい場合は、メンブレン接触電圧は大きいが、ずれ量ｄが大きくなるとメンブレン接触電圧は低下する。以上より、剛性部材を配置する場所は突起近傍のひずみに大きく影響を与え、剛性部材と突起の中心が一致するように配置する場合に突起近傍のひずみが最も小さく効果的である。但し、上面図である図９に示す構造のように直方体の剛性部材３０３と円柱状の突起３０４が上面から見て一部でも重なっていれば突起近傍のひずみを低減する効果はある。なお、剛性部材３０３の上面から見た形状や配置は、所望の周波数特性によって適切に決定するとよい。また、図１０に示すように、一つの直方体の剛性部材３０３に対して上面から見て、円柱状の複数の突起３０４の少なくとも一部が重なっている配置でも良い。この構造においても、上述した内容と同様に上面から見て、複数の突起３０４は上部電極３０５と重ならない配置されている。また、剛性部材３０３は、上面から見て、複数の突起３０４の少なくとも一部は重なっているように配置されている。このような構造は、空洞３０２の幅が広く、空洞幅方向の剛性が低い場合に、メンブレン接触電圧を向上させる手段として有効である。但し、突起３０４を増やすと上部電極３０５の面積が減り、ＣＭＵＴの感度が低下するので、必要最低限の数とするのが良い。また、図１１に示すように、剛性部材３０３の形状を十字型にしても良い。この構造では、突起３０４間のメンブレンにおいて、剛性部材３０３が配置された箇所では、メンブレンが厚くなり、剛性を向上させることができるため、突起間メンブレンの接触電圧を向上させることができる。図２に示した長方形の剛性部材２０３の幅を広げることでも、突起間のメンブレンの剛性を上げることができるが、剛性部材２０３の面積が大きくなり、メンブレン全体の剛性が高くなり、駆動電圧が上がってしまうため、信頼性の面で不利となる。つまり、図１１に示す十字型の剛性部材３０３では、駆動電圧を大きく変えることなく、突起間メンブレンの接触電圧を上げることができる。なお、以上ではメンブレン表面に剛性部材が配置されている構造の説明をしたが、図１２に示すように剛性部材３０３がメンブレン３１０の内部に埋め込まれていても良い。メンブレン３１０の形状は平坦でることが望ましいのに対して、構成される膜の残留応力により、膨らみもしくは、へこみが生じる場合があるが、図１２に示すように、剛性部材３０３の埋め込む場所を変えることで、メンブレン３１０の残留応力分布を制御することができ、メンブレン３１０の膨らみもしくは、へこみ形状を制御することが可能となる。
　本実施例２によるＣＭＵＴの構造を図１３を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板５０６の上に配置された直方体の下部電極５０１と、下部電極５０１上に配置された空洞部５０２と、空洞部５０２上に配置された直方体の上部電極５０５などを備えて構成される。なお、下部電極５０１と空洞部５０２の間に下部電極５０１を覆うように絶縁膜５０９が形成されており、上部電極５０５と空洞部５０２の間に、空洞部５０２と下部電極５０１を覆うように絶縁膜５０８が形成されている。空洞部５０２には、絶縁膜５０９上面から空洞部５０２に突き出た円柱状の突起５０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起５０４は絶縁膜で構成される。また、絶縁膜５０７の上面には、直方体の剛性部材５０３が少なくとも一つ以上配置されている。この剛性部材５０３である梁部材は、絶縁膜５０７、５０８、５０９と同様に酸化シリコン、窒化シリコンなどのように同じ材料で形成されても良いし、また別の材料でも良い。なお、絶縁膜５０７、上部電極５０５、絶縁膜５０８で構成されるメンブレン５１０が振動することで超音波を送信する。今後は、説明の都合上、突起５０４のうち、絶縁膜５０８と空洞を挟んで対向している面を突起上面５１４、絶縁膜５０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面５１３と呼ぶ。また、メンブレン５１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面５１２と呼ぶ。そして、突起上面５１４がメンブレン下面５１２に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面５１２が空洞下面５１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。また、メンブレン接触電圧と突起接触電圧との差をマージン電圧と呼ぶことにする。剛性部材５０３同士と突起５０４同士の間隔は、実施例１に述べた内容と同じく、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材５０３と突起５０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。
　前述した実施例１との相違点は、突起５０４が空洞下面５１３から空洞５０２に突き出ている点である。この構造でメンブレン下面５１２が突起上面５１４に接触すると、図６で示す突起３０４がメンブレン下面３１２から空洞３０２に突き出た構造と同様の状態となる。したがって、突起５０４が空洞下面５１３から突き出した構造においても、上面から見て剛性部材と突起の中心が一致するように配置すると突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくすることができるので、実施例１の超音波トランスデューサと同様の効果を得ることができる。
なお、実施例１の超音波トランスデューサと同様に上面から見て剛性部材５０３と突起５０４の中心が一致している配置で最大の効果が得られるが、一部でも重なっていれば効果はある。このような構造にすると、突起がＣＭＵＴ振動部のメンブレン側にないことで、ＣＭＵＴの周波数特性の設計がしやすくなる特徴がある。なお、以上ではメンブレン表面に剛性部材が配置されている構造の説明をしたが、図１４に示すように剛性部５０３がメンブレン５１０の内部に埋め込まれていても良く、実施例１で記載した同様にメンブレン５１０の形状制御がしやすくなるという特徴がある。
　本実施例３によるＣＭＵＴの構造を、図１５と図１６を用いて説明する。図１５には、一つのＣＭＵＴを示した断面図を示す。ＣＭＵＴセルは、直方体の下部電極７０１と、下部電極７０１上に配置された空洞部７０２と、空洞部７０２上に配置された直方体の上部電極７０５などを備えて構成される。なお、下部電極７０１と空洞部７０２の間に下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０９が形成されており、上部電極７０５と空洞部７０２の間に、空洞部７０２と下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０８が形成されている。空洞部７０２には、絶縁膜７０８下面から空洞部７０２に突き出た円柱状の突起７０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起７０４は絶縁膜で構成される。上述した突起７０４や絶縁膜７０７、７０８、７０９は酸化シリコンや窒化シリコンなどで形成される。メンブレン７１０には、直方体の高ヤング率部材７０３が埋め込まれている。図１５では、高ヤング率部材７０３が絶縁膜７０７に埋め込まれているが、絶縁膜７０８に埋め込まれていても良いし、絶縁膜７０７と絶縁膜７０８の両方に埋め込まれていても良い。高ヤング率部材７０３は、周囲の絶縁膜７０７や絶縁膜７０８よりもヤング率が高い材料、例えば、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料など、もしくはイオンの打ち込みなどにより絶縁膜７０７や絶縁膜７０８を改質し、ヤング率を向上させて形成する。今後は、説明の都合上、突起７０４のうち、絶縁膜７０９と空洞を挟んで対向している面を突起下面７１１、絶縁膜７０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面７１３と呼ぶ。また、メンブレン７１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面７１２と呼ぶ。そして、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面７１２が空洞下面７１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。
　高ヤング率部材７０３と突起７０４の位置関係について、図１６を用いて説明する。また、図１５は図１６の線A－A’で切断した断面図を示している。なお、図１６において、説明の便宜上、高ヤング率部材７０３から突起７０４等を透視して示している。今後は説明の都合上、空洞７０２、上部電極７０５については、紙面の縦方向を幅、横方向を長さとし、高ヤング率部材７０３については、紙面縦方向を長さ、横方向を幅とする。突起７０４は、上面から見て空洞７０２の幅方向中央に少なくとも一つ以上配置されている。また、高ヤング率部材７０３は突起７０４それぞれに対して、上面から見て中心部が一致するように配置されている。また、上部電極７０５と下部電極７０１のうち、少なくとも一方の電極は突起７０４と上面から見て重ならない位置に配置されている。図１６では、上部電極７０５の一部が刳り貫かれており、上面から見て突起７０４と上部電極７０５は重ならないように配置されているが、刳り貫く電極は下部電極７０１であっても良い。このような配置となっている理由は、直流電圧もしくは交流電圧を電極間に印加し、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触した場合に突起７０４と絶縁膜７０９に強電界が印加され、電荷注入が生じることがないように、電極を刳り貫くことで電極間距離を離し、電界強度を下げるためである。図１５と図１６では、高いヤング率材７０３と突起７０４が空洞長さ方向に等間隔で配置されているが、不等間隔でもよい。ただし、不等間隔の場合、ひとつのＣＭＵＴ内に複数のメンブレン接触電圧が存在することになり、設計上好ましくないので、等間隔にするのがよい。また、高ヤング率部材７０３同士と突起７０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、高ヤング率部材７０３と突起７０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。
　本実施例３の特徴は、図１５と図１６で示すように、上部電極７０５と下部電極７０１のうち、少なくとも一方の電極は空洞７０２に突き出た突起７０４と上面から見て重ならない位置に配置されているＣＭＵＴにおいて、メンブレン７１０に設けられた高ヤング率部材７０３と突起７０４とが上面から見て一部でも重なるように配置されていることである。ここでのポイントは、上面から見て突起７０４と重なる領域のメンブレン内部に高ヤング率部材を配置することで、局所的に剛性を高くしている点である。このような構造にすることにより、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくとることができる。つまり、高送信音圧を得るために、突起下面７１１が空洞下面７１３に接触する駆動条件でメンブレン７１０を最大限に振動させる場合においても、メンブレン接触を防止することができる。実際のＣＭＵＴでは、製造のばらつきにより、部分的にメンブレン接触電圧が設計よりも低くなることがあるが、上記の構造にすることで、メンブレン接触を防止し、メンブレン７１０の絶縁膜７０８への電荷注入を低減することができる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。また、ＣＭＵＴ表面を平らにできるという特徴がある。
　本実施例４によるＣＭＵＴの構造を図１７を用いて説明する。ＣＭＵＴは、基板７０６の上に配置された直方体の下部電極７０１と、下部電極７０１上に配置された空洞部７０２と、空洞部７０２上に配置された直方体の上部電極７０５などを備えて構成される。なお、下部電極７０１と空洞部７０２の間に下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０９が形成されており、上部電極７０５と空洞部７０２の間に、空洞部７０２と下部電極７０１を覆うように絶縁膜７０８が形成されている。空洞部７０２には、絶縁膜７０９上面から空洞部７０２に突き出た円柱状の突起７０４が少なくとも一つ以上配置されている。この突起７０４は絶縁膜で構成される。また、絶縁膜７０７の上面には、直方体の高ヤング率部材７０３が少なくとも一つ以上埋め込まれている。説明の都合上、突起７０４のうち、絶縁膜７０８と空洞を挟んで対向している面を突起上面７１４、絶縁膜７０９のうち、空洞に曝されている面を空洞下面７１３と呼ぶ。また、メンブレン７１０のうち、空洞に曝されている面をメンブレン下面７１２と呼ぶ。そして、突起上面７１４がメンブレン下面７１２に接触することを突起接触、またその時の電圧を突起接触電圧、そしてメンブレン下面７１２が空洞下面７１３に接触することをメンブレン接触、またその時の電圧をメンブレン接触電圧と呼ぶことにする。高ヤング率部材７０３同士と突起７０４同士の間隔は、メンブレン接触電圧と突起接触電圧の大小関係から決めるのが良い。例えば、メンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、高ヤング率部材７０３と突起７０４の間隔を狭くして、メンブレン接触電圧を向上させる。
　前述した実施例３との相違点は、突起７０４が空洞下面７１３から空洞７０２に突き出ている点である。この構造でメンブレン下面７１２が突起上面７１４に接触すると図１５で示す構造の突起接触状態と同様の状態となる。したがって、突起７０４が空洞下面７１３から突き出した構造においても、上面から見て高ヤング率部材と突起の中心が一致するように配置すると突起接触電圧とメンブレン接触電圧の差を大きくすることができ、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上することができるので、実施例３の超音波トランスデューサと同様の効果を得ることができる。なお、実施例３の超音波トランスデューサと同様に高ヤング率部材と突起が上面から見て一部でも重なっていれば効果はある。このような構造にすると、突起がＣＭＵＴ振動部のメンブレン側にないことで、ＣＭＵＴの周波数特性の設計がしやすくなる特徴がある。
　図１８は、本実施例５の超音波トランスデューサを示す上面図である。この超音波トランスデューサは円形状の突起８０４と円形状のメンブレン８１０とメンブレン８１０の上面に円形状の剛性部材８０３または高ヤング率部材８０５を含んでいる。剛性部材８０３と突起８０４は、メンブレン８１０の中央とその上下左右のメンブレン端との中間に配置されている。剛性部材８０３と突起８０４は上面から見て一部が重なるように配置されている。円形状の突起８０４は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、剛性部材８０３または高ヤング率部材８０５においても、円形状は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。剛性部材８０３と突起８０４の個数と配置については、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の大小関係で決めると良い。例えば、図１８の構造においてメンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材８０３と突起８０４の数を増やすべきである。その場合の配置場所は、メンブレン接触電圧でメンブレンが接触する箇所が良い。
　図１９は、本実施例６の超音波トランスデューサを示す上面図である。この超音波トランスデューサは円形状の突起９０４と八角形状のメンブレン９１０とメンブレン９１０の上面に円形状の剛性部材９０３または、高ヤング率部材９０５を含んでいる。剛性部材９０３と突起９０４は、メンブレン９１０の中央とその周囲に配置されている。剛性部材９０３と突起９０４は上面から見て一部が重なるように配置されている。八角形状のメンブレン９１０は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、円形状の突起９０４は一例であって、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。また、剛性部材９０３または、高ヤング率部材９０５においても、円形状は一例であり、三角形状、五角形状、七角形状など、他の多角形状でもよい。剛性部材９０３と突起９０４の個数と配置については、突起接触電圧とメンブレン接触電圧の大小関係で決めると良い。例えば、図１９の構造においてメンブレン接触電圧が突起接触電圧よりも低い場合、剛性部材９０３と突起９０４の数を増やすべきである。その場合の配置場所は、メンブレン接触電圧でメンブレンが接触する箇所が良い。
　図２０を参照しながら、本発明の超音波トランスデューサを備えた超音波診断装置の構成とその動作について説明する。超音波診断装置１００１は、超音波探触子１００２、送受分離部１００３、送信部１００４、バイアス部１００６、受信部１００８、整相加算部１０１０、画像処理部１０１２、表示部１０１４、制御部１０１６、操作部１０１８から構成される。
　超音波探触子１００２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置である。超音波探触子１００２から超音波が被検体に送波され、被検体からの反射エコー信号が超音波探触子１００２により受波される。実施例１～６のいずれかの超音波トランスデューサは、超音波探触子１００２の内部に収納され、後述する送受分離部１００３と電気的に接続される。送信部１００４及びバイアス部１００６は、超音波探触子１００２に駆動信号を供給する装置である。受信部１００８は、超音波探触子１００２から出力される反射エコー信号を受信する装置である。受信部１００８は、さらに、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換等の処理を行う。送受分離部１００３は、送信時には送信部１００４から超音波探触子１００２へ駆動信号を渡し、受信時には超音波探触子１００２から受信部１００８へ受信信号を渡すよう送信と受信とを切換、分離するものである。整相加算部１０１０は、受信された反射エコー信号を整相加算する装置である。画像処理部１０１０は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像(例えば、断層像や血流像)を構成する装置である。表示部１０１４は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。制御部１０１６は、上述した各構成要素を制御する装置である。操作部１０１８は、制御部１０１６に指示を与える装置である。操作部１０１８は、例えば、トラックボールやキーボードやマウス等の入力機器で構成される。
　本発明の超音波トランスデューサは、超音波探触子を用いる超音波診断装置、構造内部の欠陥検査装置、物体位置検知装置、流速計測装置等に利用することができる。そして、高送信音圧と高受信感度を実現することができ、また、長期間駆動における信頼性を向上させることができる。
２０１、３０１、５０１、７０１、８０１、９０１　下部電極
２０２、３０２、５０２、７０２　空洞部
２０７、２０８、２０９、３０９、５０７、５０８、５０９、７０７、７０８、７０９　
絶縁膜
２０５、３０５、５０５、７０５　上部電極
２１０、３１０、５１０、７１０、８１０、９１０　メンブレン
２１３、３１３、５１３、７１３　空洞下面
２０３、３０３、５０３、８０３、９０３　剛性部材
２０４、３０４、５０４、７０４、８０４、９０４　突起
２０６、３０６、５０６、７０６　基板
２１１、３１１、７１１　突起下面
２１２、３１２、５１２、７１２　メンブレン下面
５１４、７１４　突起上面
７０３、８０５、９０５　高ヤング率部材
１００１　超音波診断装置
１００２　超音波探触子
１００３　送受分離部
１００４　送信部
１００６　バイアス部
１００８　受信部
１０１０　整相加算部
１０１２　画像処理部
１０１４　表示部
１０１６　制御部
１０１８　操作部。

Claims (17)

  1. 　下部電極と、前記下部電極上に形成された、絶縁膜で囲まれた空洞部と、前記空洞部上に形成された上部電極と、前記空洞部内に形成された複数の絶縁膜の突起を備えた超音波トランスデューサにおいて、
    　前記空洞部上に形成された複数の剛性部材を備え、
    　前記下部電極と前記上部電極のうちの少なくとも一方の電極は、前記絶縁膜の突起と重なる部分を刳り貫くことにより、前記絶縁膜の突起と上面から見て重ならない位置に配置され、
    　前記剛性部材のそれぞれは前記絶縁膜の突起と上面から見て重なる領域が存在するように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  2. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    　前記剛性部材は梁部材であり、
    前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンは、前記梁部材が配置されている部分の厚さが、梁部材が配置されてない部分と比べて梁部材の厚さ分厚いことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  3. 　請求項２記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜上に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  4. 　請求項２記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記梁部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  5. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    　前記剛性部材は、前記絶縁膜と前記上部電極と前記梁部材で構成されるメンブレンよりも高ヤング率の部材であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  6. 　請求項５記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記上部電極および前記空洞部を覆うように形成された上部絶縁膜を備えており、前記高ヤング率の部材は前記上部絶縁膜の内部に埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  7. 　請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記高ヤング率の部材は、タングステンなどの金属材料やアルミナなどのセラミック材料を埋め込んで形成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  8. 　請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記高ヤング率の部材は、イオンの打ち込みにより前記上部絶縁膜を改質して形成したことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  9. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    　前記剛性部材の中心は前記絶縁膜の突起の中心と上面から見て一致するように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  10. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    　一つの前記剛性部材に対して複数の前記絶縁膜の突起が重なるように配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  11. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記絶縁膜の突起が前記空洞部の上面に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  12. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記前記絶縁膜の突起が前記空洞部の下面に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  13. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記複数の絶縁膜の突起と前記複数の剛性部材が上面から見て等間隔に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  14. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記空洞部が上面から見て、円形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  15. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記絶縁物の突起が上面から見て、円形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  16. 　請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記剛性部材が上面から見て、円形状、十字型形状または多角形状であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  17. 　請求項１乃至請求項１６の何れか一つに記載の超音波トランスデューサとバイアス部を備えていることを特徴とする超音波診断装置。
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