WO2013008546A1 - 超音波エレメントおよび超音波内視鏡 - Google Patents

超音波エレメントおよび超音波内視鏡 Download PDF

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WO2013008546A1
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ultrasonic
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upper electrode
lower electrode
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松本　一哉
和久 唐木
守 長谷川
勝裕 若林
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オリンパスメディカルシステムズ株式会社
オリンパス株式会社
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    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/76—Medical, dental

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive ultrasonic element and an ultrasonic endoscope including the ultrasonic element.
  • Ultrasonic diagnostic methods that irradiate ultrasonic waves into the body and image and diagnose the internal state from echo signals have become widespread.
  • One of the ultrasonic diagnostic apparatuses used for the ultrasonic diagnostic method is an ultrasonic endoscope (hereinafter referred to as “US endoscope”).
  • US endoscope an ultrasonic transducer is disposed at the distal end rigid portion of the insertion portion introduced into the body.
  • the ultrasonic transducer has a function of converting an electric signal into an ultrasonic wave and transmitting it into the body, and receiving an ultrasonic wave reflected in the body and converting it into an electric signal.
  • ultrasonic piezoelectric vibrators have mainly been made of ceramic piezoelectric material containing lead, such as PZT (lead zirconate titanate), which has a large environmental load.
  • PZT lead zirconate titanate
  • c-MUT Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the c-MUT uses, as a unit element, an ultrasonic cell (hereinafter referred to as “US cell”) in which an upper electrode portion and a lower electrode portion are arranged to face each other via a cavity (cavity).
  • an ultrasonic element hereinafter referred to as “US element” is configured by arranging a plurality of US cells in which each electrode part is connected by a wiring part.
  • the US cell generates ultrasonic waves by applying a voltage between the lower electrode part and the upper electrode part to vibrate the membrane (vibrating part) including the upper electrode part by electrostatic force.
  • a voltage between the lower electrode part and the upper electrode part to vibrate the membrane (vibrating part) including the upper electrode part by electrostatic force.
  • the distance between both electrodes changes, so that the ultrasonic wave is converted into an electric signal from the change in capacitance.
  • a predetermined bias voltage is applied between the electrodes not only at the time of ultrasonic wave reception / transmission but also at the time of ultrasonic wave reception in order to improve transmission / reception efficiency.
  • a drive signal for generating an ultrasonic wave and a bias signal for receiving an ultrasonic wave are applied to the lower electrode unit, and the upper electrode unit always has a ground potential (ground potential).
  • a part of the insulating film covering the lower electrode part or the lower wiring part may be destroyed due to dust or defects. Then, since the applied potential leaks out of the US cell from the defective portion, the characteristics of the US cell and the US endoscope may become unstable.
  • Embodiments of the present invention are intended to provide an ultrasonic element with stable characteristics and an ultrasonic endoscope with stable characteristics.
  • An ultrasonic element includes a base, a plurality of lower electrode portions, and a plurality of lower wiring portions that connect the plurality of lower electrode portions, and a drive signal and a bias signal are applied thereto.
  • An ultrasonic endoscope includes a base, a plurality of lower electrode portions, and a plurality of lower wiring portions that connect the plurality of lower electrode portions, and includes a drive signal and a bias.
  • An upper electrode layer connected to a ground potential upper electrode terminal for detecting a capacitance signal, the upper electrode layer having a plurality of upper electrode portions and a plurality of upper wiring portions connecting the plurality of upper electrode portions
  • An ultrasonic element further comprising a shielding electrode portion that is sequentially laminated on the base and is connected to a shielding electrode terminal having a ground potential formed at least above the lower wiring portion.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 4 for explaining the structure of the ultrasonic element of the first embodiment. It is an exploded view for demonstrating the structure of the ultrasonic cell of 1st Embodiment.
  • the US endoscope 2 constitutes an ultrasonic endoscope system 1 together with the ultrasonic observation device 3 and the monitor 4.
  • the US endoscope 2 includes an elongated insertion portion 21 to be inserted into the body, an operation portion 22 disposed at the proximal end of the insertion portion 21, and a universal cord 23 extending from a side portion of the operation portion 22. It has.
  • a connector 24A connected to a light source device (not shown) is disposed at the base end of the universal cord 23. From the connector 24A, there are a cable 25 that is detachably connected to a camera control unit (not shown) via a connector 25A, and a cable 26 that is detachably connected to the ultrasonic observation apparatus 3 via a connector 26A. It is extended.
  • a monitor 4 is connected to the ultrasonic observation apparatus 3.
  • the insertion portion 21 is operated in order from the distal end side, the distal end rigid portion (hereinafter referred to as “the distal end portion”) 37, the bending portion 38 positioned at the rear end of the distal end portion 37, and the rear end of the bending portion 38.
  • a flexible tube portion 39 having a small diameter, a long length, and flexibility that reaches the portion 22 is provided continuously.
  • An ultrasonic unit 30 is disposed on the distal end side of the distal end portion 37.
  • the operation unit 22 includes an angle knob 22A for controlling the bending of the bending unit 38 in a desired direction, an air / water supply button 22B for performing air supply and water supply operations, a suction button 22C for performing suction operations, and a treatment introduced into the body.
  • a treatment instrument insertion port 22D and the like serving as an instrument entrance are disposed.
  • an illumination lens cover 31 constituting an illumination optical system and an observation lens cover 32 of the observation optical system are provided at a distal end portion 37 where an ultrasonic unit (US unit) 30 is provided.
  • a forceps port 33 that also serves as a suction port and an air / water supply nozzle (not shown) are provided.
  • the ultrasonic array (US array) 40 of the US unit 30 is a radial type transducer group in which the long sides of a plurality of rectangular ultrasonic elements 20 in a plan view are connected and arranged in a cylindrical shape. It is. That is, in the US array 40, for example, 200 US elements 20 having a short side of 0.1 mm or less are arranged in a 360-degree direction on a side surface of a cylinder having a diameter of 2 mm.
  • the US array 40 is a radial transducer group, but the US array may be a convex transducer group bent into a convex shape.
  • a plurality of lower electrode terminals 52 are arranged at the end of the cylindrical ultrasonic array 40, and each is connected to a respective signal line 62 of the coaxial cable bundle 35.
  • Each of the upper electrode terminals 51 is connected to each capacitance detection line 61 of the coaxial cable bundle 35.
  • Each of the shield electrode terminals 53 is connected to the shield wire 63 of the coaxial cable bundle 35. That is, the coaxial cable bundle 35 is composed of coaxial cables having the same number of core wires as the total number of the plurality of signal lines 62 and the plurality of capacitance detection lines 61.
  • the coaxial cable bundle 35 is inserted into the distal end portion 37, the bending portion 38, the flexible tube portion 39, the operation portion 22, the universal cord 23, and the ultrasonic cable 26, and via the ultrasonic connector 26A.
  • the ultrasonic observation apparatus 3 is connected.
  • the US element 20 has a plurality of capacitance type US cells 10 arranged in a matrix.
  • the arrangement of the US cells 10 may be a regular lattice arrangement, a staggered arrangement, a triangular mesh arrangement, or the like, or a random arrangement.
  • a lower electrode terminal 52 is disposed at one end of the US element 20, and an upper electrode terminal 51 and a shielding electrode terminal 53 are disposed at the other end.
  • the US cell 10 includes a lower electrode layer 12 connected to a lower electrode terminal 52 and a lower insulating layer (first insulating layer), which are sequentially stacked on a silicon substrate 11 as a base.
  • Layer) 13 an upper insulating layer (second insulating layer) 15 in which a cylindrical cavity 14 is formed, an upper electrode layer 16 connected to the upper electrode terminal 51, a protective layer (third insulating layer) 17, and Have.
  • the silicon substrate 11 is a substrate in which silicon thermal oxide films 11B and 11C are formed on the surface of the silicon 11A.
  • each US cell 10 has a lower electrode portion 12A and an upper electrode portion 16A that are opposed to each other with a cavity 14 therebetween.
  • the lower electrode layer 12 includes a plurality of lower electrode portions 12A having a circular shape in plan view and a plurality of lower wiring portions 12B extending in two directions from the edge portion of the lower electrode portion 12A.
  • the lower wiring portion 12B connects the lower electrode portion 12A of another US cell of the same US element 20.
  • the lower wiring portion 12B is connected to the lower electrode terminal 52.
  • the upper electrode layer 16 includes a plurality of upper electrode portions 16A having a circular shape in plan view, and a plurality of upper wiring portions 16B extending in two directions from the edge portion of the upper electrode portion 16A.
  • the upper wiring part 16B connects the upper electrode part 16A of another US cell of the same US element 20.
  • the upper wiring portion 16B is connected to the upper electrode terminal 51.
  • All the lower electrode portions 12A of the plurality of US cells 10 arranged in the same US element 20 are connected to each other, and all the upper electrode portions 16A are also connected to each other.
  • the upper insulating layer 15, the upper electrode layer 16, and the protective layer 17 in the region immediately above the cavity 14 constitute a membrane 18 that is a vibrating portion.
  • the US cell 10 has a shielding electrode portion 71 on the outer peripheral portion of the cavity 14.
  • the shield electrode portion 71 is an electrode made of a conductive material formed in a region including the upper side of the lower wiring portion 12 ⁇ / b> B, and is connected to the shield electrode terminal 53.
  • the cavity 14 is a region where the sacrificial layer 70 made of a conductive material covered with the upper insulating layer 15 is partially removed by the etching process, and the shielding electrode portion 71 is not removed by the etching process. This is the remaining region of the sacrificial layer 70.
  • the upper insulating layer 15 is shown separately as an upper insulating layer 15A and an upper insulating layer 15B. However, the upper insulating layer 15A and the upper insulating layer 15B are integrally formed at the same time.
  • the A portion that enters the groove 70A formed in the sacrificial layer 70 is the upper insulating layer 15A.
  • the upper side of the lower wiring portion 12 ⁇ / b> B is covered with the shielding electrode portion 71 as well as the lower insulating layer 13, the upper insulating layer 15, and the protective layer 17.
  • the shield electrode unit 71 is always at the ground potential via the shield electrode terminal 53.
  • the voltage signal (driving signal and bias signal) applied to the lower electrode layer 12 leaks outside the US cell 10. There is no. For this reason, the characteristics of the US cell 10 and the US endoscope 2 are stable.
  • the shielding electrode portion 71 is manufactured using the sacrificial layer 70, the number of steps is not increased and the manufacturing is easy.
  • a conductive material made of conductive silicon or metal such as copper, gold, or aluminum is formed on the entire surface of the silicon substrate 11 by sputtering or the like. Then, a lower electrode layer 12 having a lower electrode portion 12A and a lower wiring portion 12B is formed by partially removing by etching after forming a mask pattern by photolithography.
  • a lower insulating layer 13 made of an insulating material such as SiN is formed by, for example, CVD (chemical vapor deposition) so as to cover the lower electrode layer 12.
  • the sacrificial layer 70 is etched into a cavity portion (columnar) cavity portion 72, a shielding electrode portion 71, and a donut-shaped groove portion. Separated through 70A.
  • the thickness of the sacrificial layer 70 is, for example, 0.05 to 0.3 ⁇ m and preferably 0.05 to 0.15 ⁇ m in order to be the height of the cavity 14.
  • the upper insulating layer 15 is formed on the upper surface of the sacrificial layer pattern (cavity portion 72 and shielding electrode portion 71) by the same method and the same method as the lower insulating layer 13, for example. Formed by material. At this time, as already described, the upper insulating layer 15A is also formed inside the groove 70A.
  • an opening (not shown) through which an etchant flows is formed at a predetermined position of the upper insulating layer 15 in order to remove the cavity 72.
  • the cavity 14 is formed by removing the cavity 72 by etching. Since the shielding electrode portion 71 is separated from the cavity portion 72 by the upper insulating layer 15A, it is not removed by the etching agent. That is, the shield electrode portion 71 is a remaining region of the sacrificial layer 70 that has not been removed by the etching process.
  • tungsten (W) is used as the sacrificial layer 70 and silicon nitride (SiN) is used as the lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15
  • hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is used as an etchant.
  • conductive polycrystalline silicon is used as the sacrificial layer 70 and SiN is used as the lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15
  • xenon fluoride gas (XeF 2 ) is used as an etchant.
  • the cavity 14 is not limited to a cylindrical shape, and may be a polygonal column shape or the like. In the case where the cavity 14 has a polygonal column shape, it is preferable that the upper electrode portion 16A and the lower electrode portion 12A have a polygonal shape in plan view.
  • the upper electrode layer 16 having the upper electrode portion 16A and the upper wiring portion 16B is formed by the same method and the same material as the lower electrode layer 12.
  • the protective layer 17 has not only a protective function but also an acoustic matching layer function and a function of connecting the US elements 20.
  • the lower electrode terminal 52 is also formed in the lower electrode forming step
  • the upper electrode terminal 51 is also formed in the upper electrode forming step
  • the shielding electrode is formed in the shielding electrode forming step (sacrificial layer formation).
  • a terminal 53 is also formed.
  • the protective layer 17 is formed so as not to cover the lower electrode terminal 52, the upper electrode terminal 51, and the shield electrode terminal 53.
  • the protective layer 17 is made of a flexible resin such as polyimide, epoxy, acrylic, or polyparaxylene, has high chemical resistance, has flexibility, and is easy to process, and is particularly preferably polyimide. .
  • the protective layer 17 may have a two-layer structure in which a second insulating layer having biocompatibility is further formed on the first insulating layer.
  • the US array 40 is produced by arranging a plurality of ultrasonic elements 20 in a radial shape having a predetermined diameter in the connecting direction.
  • the US array 40 is bonded to the outer periphery of a cylinder having a predetermined diameter, for example.
  • the coaxial cable bundle 35 is connected to the US array 40, and the US unit 30 is manufactured.
  • the lower electrode portion 12A is connected to the voltage signal generating portion 3A of the ultrasonic observation apparatus 3 through the lower electrode terminal 52.
  • the shield electrode portion 71 is at a ground potential via the shield electrode terminal 53.
  • the upper electrode portion 16A is connected to the capacitive signal detection portion 3B via the upper electrode terminal 51 and has a ground potential.
  • the capacitance signal detector 3B detects a capacitance signal (current change).
  • the voltage signal generator 3A When generating ultrasonic waves, the voltage signal generator 3A applies a drive voltage signal including a bias voltage to the lower electrode 12A.
  • a voltage is applied to the lower electrode portion 12A, the upper electrode portion 16A having the ground potential is attracted to the lower electrode portion 12A by electrostatic force, so that the membrane 18 including the upper electrode portion 16A is deformed.
  • the membrane 18 is restored to its original shape by the elastic force. An ultrasonic wave is generated by the deformation / recovery of the membrane 18.
  • the membrane 18 including the upper electrode portion 16A is deformed by the received ultrasonic energy. Then, since the distance between the upper electrode portion 16A and the lower electrode portion 12A changes, the capacitance between them changes. Then, a current accompanying a capacitance change flows through the capacitance signal detection unit 3B. That is, the received ultrasonic energy is converted into a capacitive signal.
  • the diameter R12 of the lower electrode portion 12A having a substantially circular shape in plan view is larger than the diameter R16 of the upper electrode portion 16A having a substantially circular shape in plan view.
  • the diameter R16 of the substantially circular upper electrode portion 16A is larger than the diameter R14 of the cavity 14 that is substantially circular in plan view.
  • a straight line connecting the centers of the lower electrode portion 12A, the cavity 14, and the upper electrode portion 16A is perpendicular to the silicon substrate 11.
  • the US cell 10 has a large allowable amount of pattern alignment accuracy of each layer formed and laminated at the time of manufacture, and is easy to manufacture. In other words, the characteristics of the US cell 10 are stable even if there is a large misalignment in pattern alignment.
  • the opposing portion forms a capacitor, but is a parasitic capacitance portion (fixed capacitance portion) 19 whose capacitance does not change even when receiving an ultrasonic wave. If the capacitance of the parasitic capacitance unit 19 is large, even if the capacitance of the membrane 18 (variable capacitance unit) changes, the rate of change of the capacitance signal (capacitance) detected by the capacitance signal detection unit 3B is small. turn into.
  • a shield electrode portion 71 having a ground potential is disposed on the outer peripheral portion where the lower electrode portion 12A and the upper electrode portion 16A are arranged to face each other.
  • the upper electrode portion 16A above the portion where the lower electrode portion 12A and the shielding electrode portion 71 are opposed to each other does not form a capacitor with the lower electrode portion 12A. That is, the outer peripheral portion of the upper electrode portion 16A does not cause parasitic capacitance.
  • the US element 20 has higher ultrasonic wave reception sensitivity than the US element without the shielding electrode portion 71.
  • the longitudinal direction of the lower wiring portion 12B and the upper wiring portion 16B of the US element 20 are orthogonal to each other. That is, the lower wiring portion 12B extends from the lower electrode portion 12A in the Y-axis direction, while the upper wiring portion 16B extends from the upper electrode portion 16A in the X-axis direction.
  • the US element 20 that does not have a region where the lower wiring portion 12B and the upper wiring portion 16B face each other has high ultrasonic wave reception sensitivity because no parasitic capacitance is generated between the lower wiring portion 12B and the upper wiring portion 16B.
  • a part (16 ⁇ / b> C) of a layer made of a conductive material formed to form the upper electrode layer 16 is a shielding electrode portion 74. That is, the shielding electrode portion 74 is a region formed of the same material as the upper electrode layer 16 and separated by the upper electrode layer 16 and the groove portion 75A.
  • FIG. 12 shows a pattern of the lower electrode layer 12.
  • the lower electrode layer 12 is processed into a pattern composed of the lower electrode portion 12A and the lower wiring portion 12B by performing an etching process through a mask after forming a conductive material layer on the entire surface.
  • the upper electrode layer 16 is separated from the shielding electrode portion 74 by the groove 75A by performing an etching process through a mask after forming a conductive material layer on the entire surface.
  • the US element 20A having the shielding electrode portion 74 has a voltage signal (driving signal and bias signal) applied to the lower electrode layer 12 even if a part of the insulating film is destroyed due to dust or a defect. Does not leak outside the US element 20A. For this reason, the characteristics of the US element 20A and the US endoscope 2A are stable.
  • the shielding electrode portion 74 is manufactured at the same time as the upper electrode layer 16, the number of processes is not increased and the manufacturing is easy.
  • the shielding electrode portion includes a first shielding electrode portion 71 and a second shielding electrode portion 73.
  • the first shielding electrode portion 71 is composed of the remaining region of the sacrificial layer 70 that has not been removed by the etching process as the US element 20 has.
  • the second shielding electrode portion 73 is a region that is formed at the same time as the upper electrode layer 16 and is separated by the upper electrode layer 16 and the groove portion 75A, as the US element 20A has.
  • the US element 20B and the US endoscope 2B include the two shielding electrode portions 71 and 73, the characteristics are more stable than those of the US element 20, 10A and the US endoscope 2 and 2A.
  • the shielding electrode portion 76 covers the entire upper surface of the lower electrode layer 12 via the protective layer 17.
  • the shield electrode portion 76 is made of a conductive material such as aluminum, titanium, or conductive plastic.
  • the shield electrode portion 76 may be further covered with a second protective layer (not shown).
  • the shielding electrode portion 76 may be an intermediate layer of a protective layer having a multilayer structure.
  • the US element 20C has a problem that the membrane 18 becomes thicker by the amount of the shielding electrode portion 76, so that it is difficult to vibrate. Moreover, it is necessary to add the process of forming the shielding electrode part 76. FIG.
  • the voltage signal (drive signal and bias signal) applied to the lower electrode layer 12 is external to the US element 20C even if a part of the insulating film of the US element 20C is destroyed due to dust or defects. There is no leakage. For this reason, the characteristics of the US element 20C and the US endoscope 2C are stable.

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Abstract

ＵＳエレメント２０は、シリコン基板１１と、複数の下部電極部１２Ａと複数の下部配線部１２Ｂとを有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、複数のキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５と、複数の上部電極部１６Ａと複数の上部配線部１６Ｂとを有し容量信号を検出するためのグランド電位の上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、がシリコン基板１１の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部１２Ｂの上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子５３と接続された遮蔽電極部７１を更に具備する。

Description

超音波エレメントおよび超音波内視鏡
　本発明は、静電容量型の超音波エレメント、および、前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
　体内に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
　これまでは、超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されていた。これに対して、カロンティらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ－ＭＵＴ」という）を開示している。ｃ－ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
　ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレン（振動部）を振動して超音波を発生する。また外部から超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。なお、超音波受信送信時だけでなく超音波受信時にも、送受信の効率を向上するため、電極間に所定のバイアス電圧が印加される。
　ｃ－ＭＵＴでは、安定した特性を得るために、超音波発生のための駆動信号および超音波受信のためのバイアス信号は下部電極部に印加されており、上部電極部は常にグランド電位（接地電位）とされている。
　しかし、下部電極部または下部配線部を覆っている絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されることがある。すると、印加された電位が欠陥部からＵＳセルの外部に漏れ出るため、ＵＳセルおよびＵＳ内視鏡の特性が不安定になるおそれがあった。
　本発明の実施形態は、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の超音波エレメントは、基体と、複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれのキャビティを介して、それぞれの下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備する。
　また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、基体と、複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれのキャビティを介して、それぞれの下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備する超音波エレメントを有する。
第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。 第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための上面図である。 第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ－Ｖ線に沿った部分断面図である。 第１実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波セルの犠牲層のパターンを示す上面図である。 第１実施形態の超音波セルの遮蔽電極部のパターンを示す上面図である。 第１実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。 第２実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。 第２実施形態の超音波セルの下部電極層のパターンを示す上面図である。 第２実施形態の超音波セルの上部電極層のパターンを示す上面図である。 第３実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。 第４実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
＜第１実施形態＞
　以下、図面を参照して第１実施形態の超音波エレメント２０、および、超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。
＜超音波内視鏡の構成＞
　図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
　ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
　挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端部３７の先端側には超音波ユニット３０が配設されている。
　操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
　そして、図２に示すように、超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が、設けられた先端部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
　図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。
　円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。遮蔽電極端子５３は、それぞれが同軸ケーブル束３５のシールド線６３と接続されている。すなわち同軸ケーブル束３５は、複数の信号線６２および複数の容量検出線６１の合計数と同じ本数の芯線のある同軸ケーブルからなる。
　同軸ケーブル束３５は、先端部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
＜送受信部の構成＞
　次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０および超音波セル（ＵＳセル）１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
　図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０の配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。そしてＵＳエレメント２０の一方の端部には下部電極端子５２が、他方の端部には上部電極端子５１と遮蔽電極端子５３とが配設されている。
　図５および図６に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。
　すなわち、それぞれのＵＳセル１０は、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する。
　下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の下部配線部１２Ｂと、を有する。下部配線部１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線部１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。
　上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の上部配線部１６Ｂと、を有する。上部配線部１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線部１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。
　すなわち。同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。
　図５および図６に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５と上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成している。
　そして、ＵＳセル１０は、キャビティ１４の外周部に遮蔽電極部７１を有する。遮蔽電極部７１は、下部配線部１２Ｂの上側を含む領域に形成された導電性材料からなる電極であり、遮蔽電極端子５３と接続されている。後述するように、キャビティ１４は上部絶縁層１５に覆われた導電性材料からなる犠牲層７０がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
　なお、図６では図示の都合上、上部絶縁層１５を上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとに分離して表示しているが、上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとは同時に一体形成される。そして、犠牲層７０に形成された溝部７０Ａに進入した部分が上部絶縁層１５Ａである。
　ＵＳエレメント２０では、下部配線部１２Ｂの上側は、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７だけでなく、遮蔽電極部７１により覆われている。そして遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介して常にグランド電位である。
　このため、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳセル１０の外部に漏れることがない。このため、ＵＳセル１０およびＵＳ内視鏡２は特性が安定している。
　また、遮蔽電極部７１は、犠牲層７０を用いて作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
＜ＵＳエレメントの製造方法＞
　次に、図７Ａ～図７Ｆ、図８および図９を用いてＵＳエレメント２０の製造方法について簡単に説明する。
＜ステップＳ１１＞下部電極層形成
　導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、またはアルミニウムからなる導電性材料が、シリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとを有する下部電極層１２が形成される。
＜ステップＳ１２＞下部絶縁層形成
　下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
＜ステップＳ１３＞犠牲層形成
　下部絶縁層１３の上に、導電性材料の中から選択されたエッチングにより除去可能な材料からなる犠牲層材料が成膜される。そして、図７Ａに示すように犠牲層７０の上に、フォトリソグラフィによるマスクパターン７５が形成される。
＜ステップＳ１４＞犠牲層パターニング
　図７Ｂおよび図８に示すように、犠牲層７０が、エッチング処理により、キャビティの形状（円柱状）のキャビティ部７２と、遮蔽電極部７１と、にドーナツ状の溝部７０Ａを介して分離される。
　犠牲層７０の厚さは、キャビティ１４の高さとなるために、例えば、０．０５～０．３μｍであり、好ましくは０．０５～０．１５μｍである。
＜ステップＳ１５＞上部絶縁層形成
　図７Ｃに示すように、犠牲層パターン（キャビティ部７２および遮蔽電極部７１）の上面に、上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。このとき、すでに説明したように、溝部７０Ａの内部にも上部絶縁層１５Ａが形成される。
　そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、キャビティ部７２を除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
＜ステップＳ１６＞キャビティ形成
　次に、図７Ｄおよび図９に示すように、キャビティ部７２のエッチング除去によりキャビティ１４が形成される。遮蔽電極部７１は上部絶縁層１５Ａによりキャビティ部７２と分離されているため、エッチング剤により除去されない。すなわち、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
　例えば犠牲層７０としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層７０として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
　なお、キャビティ１４は円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。
＜ステップＳ１７＞上部電極層形成
　図７Ｅに示すように、下部電極層１２と同様の方法および同様の材料により、上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとを有する上部電極層１６が形成される。
＜ステップＳ１８＞保護層形成
　図８（Ｆ）に示すように、ＵＳエレメント２０の表面が、保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。
　なお、説明を省略したが、下部電極形成工程では下部電極端子５２も形成されており、上部電極形成工程では上部電極端子５１も形成されており、遮蔽電極形成工程（犠牲層形成）では遮蔽電極端子５３も形成されている。保護層１７は、下部電極端子５２、上部電極端子５１および遮蔽電極端子５３を覆わないように形成される。
　保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため、特に好ましくはポリイミドである。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。
　なお、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。
＜ＵＳエレメントの動作＞
　次に、図１０を用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介してグランド電位となっている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
　超音波発生時には、電圧信号発生部３Ａはバイアス電圧を含む駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は変形する。そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により元の形に回復する。このメンブレン１８の変形／回復により超音波が発生する。
　一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８が変形する。すると上部電極部１６Ａと下部電極部１２Ａとの距離が変化するため、その間の静電容量が変化する。すると容量信号検出部３Ｂに容量変化に伴う電流が流れる。すなわち、受信した超音波エネルギーが容量信号に変換される。
　なお、図６および図１０に示すように、ＵＳセル１０では、平面視略円形の下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２が、平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６よりも大きく、更に平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６が、平面視略円形のキャビティ１４の直径Ｒ１４よりも大きい。なお、下部電極部１２Ａとキャビティ１４と上部電極部１６Ａの中心を結ぶ直線はシリコン基板１１に垂直である。
　このため、ＵＳセル１０では、製造時に積層形成する各層のパターン位置合わせ精度の許容量が大きく製造が容易である。言い換えれば、パターン位置合わせのずれが大きくても、ＵＳセル１０は特性が安定している。
　しかし、このために、メンブレン１８の外周領域で、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している部分がある。この対向部分はコンデンサを形成しているが、超音波を受信しても静電容量が変化しない寄生容量部（固定容量部）１９である。寄生容量部１９の静電容量が大きいと、メンブレン１８（可変容量部）の静電容量が変化しても、容量信号検出部３Ｂで検出される容量信号（静電容量）の変化率は小さくなってしまう。
　しかし、ＵＳエレメント２０では、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している外周部にグランド電位の遮蔽電極部７１が配設されている。このため、下部電極部１２Ａと遮蔽電極部７１とが対向配置している部分の上の上部電極部１６Ａは、下部電極部１２Ａとコンデンサを形成していない。すなわち上部電極部１６Ａの外周部は寄生容量の原因とならない。このため、ＵＳエレメント２０は、遮蔽電極部７１のないＵＳエレメントよりも超音波の受信感度が高い。
　更に、図６等に示したように、ＵＳエレメント２０の下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは長手方向が直交している。すなわち、下部配線部１２Ｂは下部電極部１２ＡからＹ軸方向に延設されているのに対して、上部配線部１６Ｂは上部電極部１６ＡからX軸方向に延設されている。下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは対向する領域がないＵＳエレメント２０は、下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとの間で寄生容量が生じないため、超音波の受信感度が高い。
＜第２実施形態＞
　次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１１に示すように、ＵＳエレメント２０Ａでは、上部電極層１６を形成するために成膜した導電性材料からなる層の一部（１６Ｃ）が遮蔽電極部７４である。すなわち、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に同じ材料により形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
　ここで、図１２は下部電極層１２のパターンを示している。すでに説明したように、下部電極層１２は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとからなるパターンに加工される。
　これに対して、図１２に示すように、上部電極層１６は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、溝部７５Ａにより遮蔽電極部７４と分離される。
　遮蔽電極部７４を具備するＵＳエレメント２０Ａは、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ａの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは特性が安定している。
　また、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
＜第３実施形態＞
　次に第３実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０、２０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１４に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂは、遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部７１と第２の遮蔽電極部７３とからなる。第１の遮蔽電極部７１は、ＵＳエレメント２０が具備していたのと同じようにエッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域からなる。第２の遮蔽電極部７３は、ＵＳエレメント２０Ａが具備していたのと同じように上部電極層１６と同時に形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
　ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、２つの遮蔽電極部７１、７３を具備するため、ＵＳエレメント２０、１０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａよりも、より特性が安定している。
＜第４実施形態＞
　次に第４実施形態のＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃを具備する超音波内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１５に示すように、ＵＳエレメント２０Ｃでは、遮蔽電極部７６が、保護層１７を介して下部電極層１２の上側の全面を覆っている。遮蔽電極部７６は、導電性材料、例えばアルミニウム、チタン、導電性プラスチック等からなる。なお、遮蔽電極部７６を更に第２保護層（不図示）が覆っていてもよい。言い換えれば遮蔽電極部７６を、多層構造の保護層の中間層としてもよい。
　ＵＳエレメント２０Ｃは、メンブレン１８が遮蔽電極部７６の分だけ厚くなるため、振動しにくくなるという問題点がある。また、遮蔽電極部７６を形成する工程を追加する必要がある。
　しかし、ＵＳエレメント２０Ｃはたとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ｃの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは特性が安定している。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
　本出願は、２０１１年７月１１日に日本国に出願された特願２０１１－１５３２７８号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (6)

  1. 　基体と、
    　複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、
    　下部絶縁層と、
    　複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、
    　それぞれのキャビティを介して、それぞれの下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、
    　保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、
    　少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備することを特徴とする超音波エレメント。
  2. 　前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
    　前記遮蔽電極部が、前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  3. 　前記遮蔽電極部が、前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離されている領域であることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  4. 　前記遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部と第２の遮蔽電極部とからなり、
    　前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
    　前記第１の遮蔽電極部が前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であり、前記第２の遮蔽電極部が前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離されている領域であることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  5. 　前記遮蔽電極部が、前記保護層を介して前記下部電極層の上側の全面を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記超音波エレメントを有することを特徴とする超音波内視鏡。
PCT/JP2012/063792 2011-07-11 2012-05-29 超音波エレメントおよび超音波内視鏡 WO2013008546A1 (ja)

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