WO2017042997A1 - 超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置 - Google Patents

超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置 Download PDF

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Definitions

  • the present technology relates to an ultrasonic array transducer that can be used for ultrasonic imaging, an ultrasonic array transducer manufacturing method, an ultrasonic probe, and an ultrasonic diagnostic apparatus.
  • Ultrasound diagnostic devices which are increasingly used in the medical field, etc., generate ultrasound images of diagnostic objects by irradiating diagnostic objects from ultrasonic probes and detecting reflected waves with ultrasonic probes.
  • the ultrasonic probe includes an array transducer in which a plurality of ultrasonic transducers are arranged, and adjusts a delay time of a drive signal input to each ultrasonic transducer and a detection signal output from each ultrasonic transducer. Thus, it is possible to control the focal point of the ultrasonic wave.
  • Array transducers include 1D arrays in which ultrasonic transducers are arranged in a line and 2D arrays in which transducers are arranged in a plane, but they are mounted on a single array transducer to improve resolution and imaging speed. There is a tendency for the number of ultrasonic transducers to increase. In addition, with the spread of ultrasonic catheters inserted into blood vessels and the like, miniaturization of ultrasonic probes is required. For this reason, high-density mounting of ultrasonic transducers is required, and the mounting area of each ultrasonic transducer tends to be small.
  • impedance matching is performed using an amplifier, and generally an ASIC (application specific integrated circuit) is used (see, for example, Patent Document 1).
  • the ASIC needs to have a certain size, and if it is installed on each vibrator, it is difficult to secure the installation location. Although it is possible to install the ASIC so as to be separated from the vibrator, the effect of impedance matching becomes smaller as the wiring connecting the ASIC and the vibrator becomes longer. Furthermore, it is necessary to design the ASIC according to the structure of the array transducer, and it is difficult to reduce the manufacturing cost.
  • an object of the present technology is to provide an ultrasonic array transducer, an ultrasonic array transducer manufacturing method, an ultrasonic probe, and an ultrasonic diagnostic apparatus that have a high impedance matching effect and excellent productivity. There is to do.
  • an ultrasonic array transducer includes an ultrasonic transducer and a semiconductor chip.
  • the ultrasonic transducer constitutes an array.
  • the semiconductor chip is bonded to each of the ultrasonic transducers to form an impedance matching circuit.
  • the ultrasonic transducer and the impedance matching circuit are integrated, and the wiring connecting them may be short, a high impedance matching effect can be obtained, and the SNR (signal-noise ratio) can be improved. As a result, it is possible to improve the contrast of the ultrasonic image.
  • a transducer module when mounting a module that integrates an ultrasonic transducer and an impedance matching circuit (hereinafter referred to as a transducer module) on a substrate, the arrangement and arrangement of ultrasonic transducers with different degrees of freedom and high frequency of placement are high. Is easy to optimize.
  • the transducer modules having a specific structure in an arbitrary shape, it is possible to cope with various devices, and the transducer modules can be reused between devices. Further, the same semiconductor chip can be used for any size ultrasonic transducer as long as it exceeds the footprint of the semiconductor chip.
  • the impedance matching circuit may include an amplifier and a TR (transmit-receive) switch.
  • a drive signal for generating an ultrasonic wave and a detection signal generated by ultrasonic detection flow but the signal intensity differs greatly between the drive signal and the detection signal.
  • only the detection signal can be amplified by the amplifier by switching the signal path by the TR switch, and an impedance matching circuit can be formed.
  • the semiconductor chip may include a first semiconductor chip provided with the amplifier and a second semiconductor chip provided with the TR switch.
  • an impedance matching circuit By forming an impedance matching circuit with a plurality of semiconductor chips, the size of each semiconductor chip can be reduced, and an impedance matching circuit can be mounted on an ultrasonic transducer having a small size.
  • the semiconductor chip may be an SOI (Silicon on Insulator) chip.
  • the SOI chip has advantages such as a small size and a small leakage current, and is suitable as a semiconductor chip bonded to an ultrasonic vibrator.
  • the ultrasonic transducer includes a first ultrasonic transducer having a first frequency as a center frequency of vibration and a second super frequency having a second frequency different from the first frequency as a center frequency of vibration. And a sound wave oscillator.
  • ultrasonic vibrators with greatly different vibration frequencies can be arranged with a high degree of freedom by integrating the ultrasonic vibrator and the impedance matching circuit. It becomes possible to do.
  • the ultrasonic array transducer may further include a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) that constitutes an array together with the ultrasonic transducer.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • ultrasonic waves can be generated with ultrasonic transducers with high ultrasonic intensity, and reflected waves can be detected with highly sensitive MEMS, improving detection sensitivity. It can be realized.
  • the ultrasonic array transducer may further include an optical element constituting the array together with the ultrasonic transducer.
  • an ultrasonic array transducer manufacturing method mounts an ultrasonic transducer to which a semiconductor chip forming an impedance matching circuit is bonded by a pick-and-place method.
  • the ultrasonic transducer includes a first ultrasonic transducer having a first frequency as a center frequency of vibration and a second super frequency having a second frequency different from the first frequency as a center frequency of vibration. And a sound wave oscillator.
  • the manufacturing method of the ultrasonic array transducer may mount the MEMS together with the ultrasonic transducer by a pick and place method.
  • an optical element may be mounted together with the ultrasonic transducer by a pick and place method.
  • an ultrasonic probe includes ultrasonic array vibration.
  • the ultrasonic array transducer includes an ultrasonic transducer constituting the array and a semiconductor chip that forms an impedance matching circuit and is bonded to each of the ultrasonic transducers.
  • an ultrasonic diagnostic apparatus includes an ultrasonic probe and a main body.
  • the ultrasonic probe includes an ultrasonic array transducer having an ultrasonic transducer that forms an array and a semiconductor chip that is bonded to each of the ultrasonic transducers and forms an impedance matching circuit.
  • the main body is connected to the ultrasonic probe, supplies a drive signal to the ultrasonic array transducer, and generates an ultrasonic image based on a detection signal output from the ultrasonic array transducer.
  • an ultrasonic array transducer As described above, according to the present technology, it is possible to provide an ultrasonic array transducer, an ultrasonic array transducer manufacturing method, an ultrasonic probe, and an ultrasonic diagnostic apparatus that have high impedance matching effects and excellent productivity. Is possible. Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an ultrasonic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an ultrasonic array transducer included in the ultrasonic diagnostic apparatus. It is a perspective view of the transducer module with which the ultrasonic array transducer is provided. It is a mimetic diagram showing circuit composition of a vibrator module with which the ultrasonic array vibrator is provided. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator. It is a schematic diagram which shows the manufacturing method of the ultrasonic array vibrator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus 1 according to the present embodiment.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 1 includes a main body 11, an ultrasonic probe 12, and a cable 15.
  • the main body 11 and the ultrasonic probe 12 are connected by a cable 15.
  • the main body 11 supplies a drive signal to the ultrasonic probe 12 via the cable 15 and generates an ultrasonic image from the ultrasonic detection signal output from the ultrasonic probe 12 and displays it on the display.
  • the ultrasonic probe 12 includes an array transducer 121, emits an ultrasonic wave in contact with a diagnostic object, and detects the reflected wave.
  • the ultrasonic probe 12 receives a drive signal from the main body 11 via the cable 15 and outputs a detection signal to the main body 11.
  • the type of the ultrasonic probe 12 is not particularly limited, and may be any of various types of ultrasonic probes such as a linear type, a sector type, a convex type, or a radial type, and may be a two-dimensional type array.
  • the ultrasonic probe 12 may be an ultrasonic catheter that can be inserted into a blood vessel or the like.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the array transducer 121.
  • the array transducer 121 includes a substrate 122, a transducer layer 123, an upper electrode layer 124, an acoustic matching layer 125, and an acoustic lens 126. These are laminated in the order of the substrate 122, the vibrator layer 123, the upper electrode layer 124, the acoustic matching layer 125, and the acoustic lens 126.
  • the substrate 122 is a substrate such as a rigid printed circuit board or an FPC (flexible printed circuit) circuit board, and wiring H and bumps B are formed on the mounting surface.
  • the wiring H is connected to the main body 11 via the cable 15.
  • the vibrator layer 123 includes a plurality of vibrator modules 120 and a filler 127.
  • the plurality of transducer modules 120 are each mounted on the substrate 122 by bumps B, and a filler 127 is filled between the transducer modules 120.
  • the filler 127 can be an acrylic resin, a polyurethane resin, or a sound absorber. Details of the transducer module 120 will be described later.
  • the array transducer 121 actually includes a larger number (several hundred to several thousand) of transducer modules 120.
  • the upper electrode layer 124 functions as an electrode of the piezoelectric layer 131 described later.
  • the upper electrode layer 124 is made of a conductive material, for example, metal plating.
  • the upper electrode layer 124 may be formed over a plurality of transducer modules 120 as shown in FIG. 2, or may be separated for each transducer module 120.
  • the acoustic matching layer 125 reduces the difference in acoustic impedance between the diagnostic object and the ultrasonic transducer 130, and prevents reflection of ultrasonic waves to the diagnostic object.
  • the acoustic matching layer 125 is made of a synthetic resin or a ceramic material. As shown in FIG. 2, the acoustic matching layer 125 may be two layers, or may be one layer or three or more layers.
  • the acoustic lens 126 focuses the ultrasonic waves generated in the transducer layer 123. As shown in FIG. 1, the acoustic lens 126 is positioned at the distal end portion of the ultrasonic probe 12 and is in contact with the diagnostic object.
  • the acoustic lens 126 is made of silicone rubber or the like, and its size and shape are not particularly limited.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the transducer module 120.
  • the transducer module 120 includes an ultrasonic transducer 130 and a circuit chip 140.
  • Each transducer module 120 is connected with a power supply line 151, a signal line 152, and a ground line 153.
  • Each of the ultrasonic transducers 130 includes a piezoelectric layer 131, a lower electrode layer 132, and a backing layer 133. These are laminated in the order of a backing layer 133, a lower electrode layer 132, and a piezoelectric layer 131.
  • the piezoelectric layer 131 is made of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric layer 131 When a voltage is applied between the lower electrode layer 132 and the upper electrode layer 124 (see FIG. 2), the piezoelectric layer 131 generates vibration due to the inverse piezoelectric effect and generates ultrasonic waves. Further, when a reflected wave from the diagnostic object enters the piezoelectric layer 131, polarization due to the piezoelectric effect occurs.
  • the size of the piezoelectric layer 131 is not particularly limited, but can be, for example, 250 ⁇ m square.
  • the lower electrode layer 132 functions as an electrode of the piezoelectric layer 131.
  • the lower electrode layer 132 is made of a conductive material, for example, metal plating.
  • the backing layer 133 is laminated on the circuit chip 140 and absorbs unnecessary vibration of the ultrasonic vibrator 130.
  • the backing layer 133 is made of a material in which a filler and a synthetic resin are mixed.
  • the circuit chip 140 is joined to each ultrasonic transducer 130 and constitutes an impedance matching circuit of the ultrasonic transducer 130.
  • the circuit chip 140 is a semiconductor chip made of a semiconductor material.
  • the circuit chip 140 can be an SOI chip created by an SOI (Silicon-on-Insulator) process.
  • the circuit chip 140 may be a BGD-SOI chip created by a BCD-SOI (Bipolar CMOS DMOS) process.
  • the circuit chips 140 are only required to be joined to the ultrasonic transducer 130, and are not necessarily arranged between the backing layer 133 and the substrate 122. Further, the circuit chip 140 may not be bonded to all the ultrasonic transducers 130, and may be bonded only to some ultrasonic transducers 130. The size of the circuit chip 140 can be the same as or smaller than the bottom surface of the ultrasonic transducer 130.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a circuit configuration of the circuit chip 140.
  • the circuit chip 140 includes a first TR (transmit-receive) switch 141, an amplifier 142, and a second TR switch 143.
  • the power supply wiring 151 is connected to the amplifier 142.
  • the signal wiring 152 is connected to the upper electrode layer 124 and is divided into a signal wiring 152A that does not pass through the amplifier 142 and a signal wiring 152B that passes through the amplifier 142.
  • the ground wiring 153 is connected to the lower electrode layer 132.
  • the first TR switch 141 is connected to the signal wiring 152 and switches the signal path between the signal wiring 152A and the signal wiring 152B.
  • the first TR switch 141 can be a transistor or a diode.
  • the amplifier 142 is connected to the signal wiring 152B, and amplifies the signal flowing through the signal wiring 152B by using the power supplied from the power supply wiring 151.
  • the amplifier 142 can be a diode.
  • the second TR switch 143 is connected to the signal wiring 152 and switches the signal path between the signal wiring 152A and the signal wiring 152B. Switch the signal path.
  • the second TR switch 143 can be a transistor or a diode.
  • the vibrator module 120 has the above configuration.
  • the transducer module 120 is provided with the circuit chip 140 that constitutes the impedance matching circuit, so that the wiring length between the ultrasonic transducer and the impedance matching circuit is short, and the impedance matching effect is high. As a result, it is possible to improve the SNR (signal-noise ratio) and hence the contrast of the ultrasonic image.
  • the main body 11 When the ultrasonic probe 12 is brought into contact with the object to be diagnosed and a diagnosis start instruction is input, the main body 11 generates a drive signal.
  • the drive signal is supplied to the ultrasonic probe 12 via the cable 15 and flows to the signal wiring 152 via the substrate 122.
  • the first TR switch 141 and the second TR switch 143 are switched to the signal wiring 152A side, and the drive signal is supplied to the upper electrode layer 124 via the second TR switch 143 and the first TR switch 141.
  • the reflected wave generated in the diagnostic object enters the piezoelectric layer 131 via the acoustic lens 126 and the acoustic matching layer 125.
  • Polarization occurs in the piezoelectric layer 131 due to the piezoelectric effect, and a current (hereinafter, a detection signal) flows through the signal wiring 152.
  • a detection signal flows through the signal wiring 152.
  • the first TR switch 141 and the second TR switch 143 are switched to the signal wiring 152B side, and the detection signal is amplified by the amplifier 142.
  • the amplified detection signal flows from the first TR switch 141 to the signal wiring 152 and is transmitted to the main body 11 through the substrate 122 and the cable 15.
  • the main body 11 generates an ultrasonic image based on the detection signal.
  • the drive signal is transmitted to the upper electrode layer 124 without passing through the amplifier 142, but the detection signal is amplified by the amplifier 142 and transmitted to the main body 11.
  • Switching between the driving signal and detection signal paths is performed by the first TR switch 141 and the second TR switch 143. As a result, impedance matching between the drive signal having a high signal strength and the detection signal having a low signal strength is realized.
  • FIG. 5A the circuit chip 140 is disposed on the sacrificial substrate K.
  • the circuit chip 140 can be adhered to the sacrificial substrate K with an adhesive that is peeled off by UV (ultraviolet) irradiation.
  • a backing layer 133 is laminated on the sacrificial substrate K and the circuit chip 140.
  • a part of the backing layer 133 is removed, and the circuit chip 140 is exposed.
  • the opening formed by the removal is referred to as an opening 133a.
  • the conductor D1 is disposed in the opening 133a and in the upper layer of the backing layer 133.
  • the conductor D1 is made of a metal such as copper, for example.
  • the conductor D2 is disposed on the conductor D1.
  • the conductor D2 can be a conductive adhesive.
  • the conductors D1 and D2 constitute the lower electrode layer 132.
  • the piezoelectric layer 131 is disposed on the conductor D2, and is adhered by the conductor D2. Subsequently, as shown in FIG. 7A, the piezoelectric layer 131 and the backing layer 133 are cut by dicing and separated into individual transducer modules 120.
  • FIG. 7B is a schematic diagram showing the transducer module 120 separated from the sacrificial substrate K.
  • the transducer module 120 is mounted on the substrate 122 as shown in FIG.
  • wiring H and bumps B are formed on the substrate 122.
  • the wiring H is the power wiring 151, the signal wiring 152, and the ground wiring 153.
  • the vibrator module 120 can be mounted on the substrate 122 by connecting the circuit chip 140 to the wiring H by the bumps B.
  • the other vibrator modules 120 are mounted on the substrate 122, respectively.
  • the method of individually mounting the mounting objects in this way is called a pick and place method.
  • a filler 127 is filled between the vibrator modules 120 to form the vibrator layer 123.
  • the upper electrode layer 124 and the acoustic matching layer 125 are stacked on the vibrator layer 123.
  • the array transducer 121 can be manufactured as described above. As described above, since the ultrasonic transducer 130 and the circuit chip 140 are integrally configured, the array transducer 121 according to the present embodiment can be mounted by the pick and place method.
  • the array transducer used in the ultrasonic diagnostic apparatus has several thousands of ultrasonic transducers, and particularly in the medical ultrasonic probe, the configuration of the ultrasonic probe differs depending on each diagnosis subject. Even the pick and place method does not increase the cost.
  • the transducer module 120 can be freely arranged by the pick and place method, and thus the transducer module 120 having the same structure can be used for various types of ultrasonic probes.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing another method for manufacturing the array transducer 121. As shown in FIG. 5A, after the circuit chip 140 is arranged on the sacrificial substrate K, a backing layer 133 is formed with a thickness equivalent to the thickness of the circuit chip 140 as shown in FIG. 9A.
  • FIG. 9B a structure in which a backing layer 133, a conductor D1, and a conductor D2 are stacked is manufactured.
  • the structure shown in FIG. 6B can be manufactured.
  • the array transducer 121 can be manufactured by the same manufacturing method as described above.
  • the ultrasonic probe 12 includes the transducer module 120 in which the circuit chip 140 is provided in each of the ultrasonic transducers 130 and can be mounted on the substrate 122 in units of transducer modules. . For this reason, the freedom degree of arrangement
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the arrangement of the transducer modules 120, and is a view of the transducer modules 120 viewed from a direction perpendicular to the substrate 122 (see FIG. 2).
  • the transducer module 120 can be arranged in a honeycomb 2D arrangement.
  • the honeycomb 2D array is an array in which a line connecting the center points of the transducer modules 120 viewed from the direction perpendicular to the substrate 122 is a regular hexagon.
  • a problem with an ultrasonic probe is reduction of side lobes (ultrasonic waves emitted in a direction deviating from the central direction where the ultrasonic waves are directed). Since the honeycomb 2D arrangement can increase the interval between the adjacent ultrasonic transducers 130, side lobes can be suppressed.
  • the ultrasonic transducers 130 can be arranged at the minimum element processing pitch by the pick and place method.
  • FIG. 11 is a schematic view of a convex ultrasonic probe configured by the transducer module 120 according to the present embodiment. As shown in the figure, in the convex ultrasonic probe, it is necessary to arrange the transducer modules 120 in a curved surface. However, in the conventional structure in which the impedance matching circuit is realized by the ASIC, it is difficult to arrange the ASIC on the curved surface.
  • the array transducer 121 according to the present embodiment is configured by the transducer module 120 in which the circuit chip 140 is integrated with the ultrasonic transducer 130, as illustrated in FIG. 120 can be mounted with high density. As a result, it is possible to improve the contrast of the ultrasound image and improve the slice resolution (resolution in the depth direction of the diagnostic object).
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a Hanafi lens type ultrasonic probe constituted by the transducer module 120 according to the present embodiment.
  • the Hanafi lens uses two or more types of ultrasonic transducers with different generated ultrasonic frequencies as an array transducer.
  • the array transducer 121 includes a transducer module 120L including the ultrasonic transducer 130L having a low vibration center frequency (large aperture diameter) and a high vibration center frequency (small aperture diameter).
  • the transducer module 120H includes an ultrasonic transducer 130H. Since the frequency of the ultrasonic transducer 130 is determined by the thickness of the piezoelectric layer 131, the piezoelectric layer 131 included in the ultrasonic transducer 130L and the piezoelectric layer 131 included in the ultrasonic transducer 130 are different in thickness.
  • Hanafi lenses can make the ultrasonic beam diameter uniform in the depth direction by changing the focal position of the ultrasonic waves on the inner and outer peripheral sides.
  • the frequency of the ultrasonic vibrator is determined by the thickness of the piezoelectric layer, conventionally, an array vibrator is manufactured by carving for processing the piezoelectric layer into a curved surface and dicing for separating the piezoelectric layer. It was.
  • the ultrasonic vibrators 130 having different thicknesses of the piezoelectric layer 131 can be manufactured in advance and individually mounted by the pick and place method.
  • the array transducer 121 having a large frequency difference between the ultrasonic transducer 130L and the ultrasonic transducer 130H as compared with the case of using carving.
  • the arrangement of the ultrasonic transducer 130L and the ultrasonic transducer 130H can be freely determined.
  • the honeycomb 2D arrangement can also be adopted in the Hanafi lens, and the side lobes can be reduced.
  • the transducer module 120 included in the array transducer 121 includes the ultrasonic transducer 130 and the circuit chip 140.
  • the circuit chip 140 may be a plurality of chips instead of a single chip.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an array transducer 121 including a transducer module 120 having a plurality of circuit chips.
  • the array transducer 121 may be a narrow pitch 1D array array in which narrow-width ultrasonic transducers 130 are arranged in one direction.
  • the circuit chip 140 can include three circuit chips: a circuit chip 140A, a circuit chip 140B, and a circuit chip 140C.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a circuit configuration of the circuit chips 140A to 140C.
  • the circuit chip 140A can include a second TR switch 143
  • the circuit chip 140B can include an amplifier 142
  • the circuit chip 140C can include a first TR switch 141.
  • the operations of the first TR switch 141, the amplifier 142, and the second TR switch 143 are the same as those described above.
  • the circuit chips 140A to 140C may be manufactured by cutting the circuit chip 140 by dicing, or may be manufactured individually.
  • the circuit chip 140 may include two circuit chips.
  • the circuit chip 140 may include a circuit chip including an amplifier 142 and a circuit chip including a first TR switch 141 and a second TR switch 143.
  • IVUS intravascular ultrasound
  • the IVUS includes an array transducer in which a plurality of ultrasonic transducers are arranged circumferentially, and an amplifier that amplifies a detection signal output from each ultrasonic transducer.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of an IVUS 300 having a conventional structure.
  • the IVUS 300 includes a catheter 301, an array transducer 302, a signal processing chip 303, and wirings 304.
  • the ultrasonic wave generated in the array transducer 302 is irradiated onto the blood vessel wall via the catheter 301 inserted into the blood vessel, and the reflected wave enters the array transducer 302 via the catheter 301 and is detected.
  • the detection signal is amplified in the signal processing chip 303 and transmitted to the main body via the wiring 304.
  • FIG. 16 is a schematic diagram of an IVUS 400 using the array transducer 121 according to the present embodiment.
  • the IVUS 400 includes a catheter 401, an array transducer 121, and a wiring 402.
  • the ultrasonic wave generated in the array transducer 121 is irradiated to the blood vessel wall via the catheter 401 inserted into the blood vessel, and the reflected wave enters the array transducer 121 via the catheter 401 and is detected.
  • the detection signal is amplified by the circuit chip 140 included in the array transducer 121 and transmitted to the main body via the wiring 402.
  • the IVUS 400 does not need to be provided with a signal processing chip separately from the array transducer 121. Therefore, the refraction of the IVUS 400 is not hindered by the signal processing chip, and the operation of the catheter 401 is facilitated.
  • IVUS400 may be provided with a signal processing chip different from the impedance matching circuit, even in such a case, since the impedance matching circuit is unnecessary, the size of the signal processing chip can be reduced.
  • the vibrator module 120 can be mixed with a MEMS module including MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing an array transducer 160 in which a transducer module and a MEMS module are mixedly mounted.
  • the array transducer 160 includes a transducer module 120 and a MEMS module 161.
  • the other configuration of the array transducer 160 is the same as that of the array transducer 121.
  • the MEMS module 161 includes a MEMS 162, a lower electrode layer 163, a backing layer 164, and a circuit chip 165.
  • the MEMS 162 is an ultrasonic sensor formed by MEMS, and the specific structure of the MEMS is not particularly limited.
  • the configurations of the lower electrode layer 163, the backing layer 164, and the circuit chip 165 are the same as those of the transducer module 120. Note that the MEMS module 161 is not limited to this configuration, and may have at least the MEMS 162.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing an arrangement of the transducer module 120 and the MEMS module 161 in the array transducer 160, and is a diagram seen from a direction perpendicular to the substrate 122.
  • FIG. 18 As shown in the figure, the transducer module 120 and the MEMS module 161 are mixedly mounted on a substrate 122 to form an array.
  • the arrangement of the transducer module 120 and the MEMS module 161 is not limited to that shown in FIG.
  • FIG. 19 is a schematic diagram showing a method for manufacturing the array transducer 160.
  • both the transducer module 120 and the MEMS module 161 can be mounted on the substrate 122 by a pick-and-place method. After mounting both modules on the substrate 122, the filler 127, the upper electrode layer 124, the acoustic matching layer 125, and the acoustic lens 126 are formed in the same manner as the array transducer 121, and the array transducer 160 shown in FIG. 17 can be manufactured. Is possible.
  • the transducer module 120 can be mixed with an optical element module including an optical element.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing an array transducer 170 in which a transducer module and an optical element module are mixedly mounted. As shown in the figure, the array transducer 170 includes a transducer module 120 and an optical element module 171. Other configurations of the array transducer 170 are the same as those of the array transducer 121 described above.
  • the optical element module 171 includes an optical element 172, a lower electrode layer 173, a backing layer 174, and a circuit chip 175.
  • the optical element 172 is an element that emits light, and is, for example, a laser diode.
  • the configurations of the lower electrode layer 173, the backing layer 174, and the circuit chip 175 are the same as those of the transducer module 120. Note that the optical element module 171 is not limited to this configuration, and may be any unit that includes at least the optical element 172.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing the arrangement of the transducer module 120 and the optical element module 171 in the array transducer 170, and is a view seen from a direction perpendicular to the substrate 122.
  • FIG. 21 As shown in the figure, the transducer module 120 and the optical element module 171 are mixedly mounted on a substrate 122 to constitute an array.
  • the arrangement of the transducer module 120 and the optical element module 171 is not limited to that shown in FIG.
  • the ultrasonic transducer 130 and the optical element 172 can be configured as one array as described above, and optical ultrasonic imaging can be realized by a single ultrasonic probe. .
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing a method for manufacturing the array transducer 170.
  • both the transducer module 120 and the optical element module 171 can be mounted on the substrate 122 by a pick-and-place method. After mounting both modules on the substrate 122, the filler 127, the upper electrode layer 124, the acoustic matching layer 125, and the acoustic lens 126 are formed in the same manner as the array transducer 121, and the array transducer 170 shown in FIG. Is possible.
  • the array transducer 170 may include the above-described MEMS module 161 instead of the transducer module 120.
  • the array transducer 170 can also be configured as a single array of three types of modules: the transducer module 120, the MEMS module 161, and the optical element module 171.
  • any element that can be mounted by the pick and place method can be mounted together with the transducer module 120 and arrayed together with the transducer module 120.
  • An ultrasonic transducer constituting the array An ultrasonic array transducer comprising: a semiconductor chip that forms an impedance matching circuit bonded to each of the ultrasonic transducers.
  • the impedance matching circuit is an ultrasonic array transducer including an amplifier and a TR (transmit-receive) switch.
  • the semiconductor chip includes an ultrasonic array transducer including a first semiconductor chip provided with the amplifier and a second semiconductor chip provided with the TR switch.
  • the ultrasonic array transducer according to any one of (1) to (3) above,
  • the semiconductor chip is an SOI (Silicon on Insulator) chip.
  • the ultrasonic array transducer includes a first ultrasonic transducer having a first frequency as a center frequency of vibration and a second super frequency having a second frequency different from the first frequency as a center frequency of vibration.
  • Ultrasonic array transducer including an acoustic transducer.
  • An ultrasonic array transducer further comprising: an optical element constituting an array together with the ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic array transducer manufacturing method in which an ultrasonic transducer to which a semiconductor chip forming an impedance matching circuit is bonded is mounted by a pick-and-place method.
  • the ultrasonic transducer includes a first ultrasonic transducer having a first frequency as a center frequency of vibration and a second super frequency having a second frequency different from the first frequency as a center frequency of vibration.
  • a method of manufacturing an ultrasonic array transducer including the ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic probe comprising an ultrasonic array transducer comprising: an ultrasonic transducer constituting an array; and a semiconductor chip that is bonded to each of the ultrasonic transducers and forms an impedance matching circuit.
  • An ultrasonic probe comprising an ultrasonic array transducer having an ultrasonic transducer constituting the array and a semiconductor chip bonded to each of the ultrasonic transducers to form an impedance matching circuit;
  • An ultrasonic diagnosis comprising: a main body connected to the ultrasonic probe, supplying a drive signal to the ultrasonic array transducer, and generating an ultrasonic image based on a detection signal output from the ultrasonic array transducer apparatus.

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Abstract

【課題】インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置を提供すること。【解決手段】本技術に係る超音波アレイ振動子は、超音波振動子（１３０）と、半導体チップと（１４０）を具備する。超音波振動子（１３０）は、アレイを構成する。半導体チップ（１４０）は、超音波振動子（１３０）のそれぞれに接合され、インピーダンス整合回路を形成する。

Description

超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置
　本技術は、超音波イメージングに利用可能な超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置に関する。
　医療分野等で利用が進んでいる超音波診断装置は、超音波プローブから診断対象物に超音波を照射し、その反射波を超音波プローブによって探知することによって診断対象物の超音波画像を生成する。超音波プローブは、複数の超音波振動子が配列されたアレイ振動子を備え、各超音波振動子に入力される駆動信号や各超音波振動子から出力される検知信号の遅延時間を調整することによって、超音波の集束点を制御することが可能である。
　アレイ振動子には、超音波振動子を線状に配列した１Ｄアレイや振動子を平面状に配列した２Ｄアレイがあるが、解像度や撮像速度の向上のために一つのアレイ振動子に実装される超音波振動子数は増加する傾向にある。また、血管等に挿入される超音波カテーテル等の普及も進み、超音波プローブの小型化が求められている。このため、超音波振動子の高密度実装が求められており、個々の超音波振動子の実装面積は小さくなる傾向にある。
　一方で、超音波振動子の実装面積を小さくすると、インピーダンスが不整合となり、超音波の検知感度が劣化するおそれがある。この対策として、アンプを用いてインピーダンスを整合させることが行われ、一般的にはＡＳＩＣ（application specific integrated circuit：特定用途向け集積回路）が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－１６６９８５号公報
　しかしながら、ＡＳＩＣは一定のサイズが必要であり、個々の振動子上に設置すると設置場所の確保が困難である。ＡＳＩＣを振動子と離間させて設置することも可能であるが、ＡＳＩＣと振動子を接続する配線が長くなるとインピーダンス整合の効果が小さくなる。さらに、ＡＳＩＣはアレイ振動子の構造に応じて設計する必要があり、製造コストの低減が困難である。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波アレイ振動子は、超音波振動子と、半導体チップとを具備する。
　上記超音波振動子は、アレイを構成する。
　上記半導体チップは、上記超音波振動子のそれぞれに接合され、インピーダンス整合回路を形成する。
　この構成によれば、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されており、両者を接続する配線が短くてよいため、高いインピーダンス整合効果が得られ、ＳＮＲ（signal-noise ratio）の向上、ひいては超音波画像のコントラスト向上が実現可能である。また、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されたモジュール（以下、振動子モジュール）を基板に実装する際にも配置の自由度が高く、周波数が異なる超音波振動子のアレイ化や配置の最適化が容易である。さらに、特定の構造の振動子モジュールを任意の形状にアレイ化することで多様な機器に対応させることが可能であり、機器間での振動子モジュールの使い回しが可能である。また、半導体チップのフットプリントを上回れば、どの大きさの超音波振動子に対しても同じ半導体チップが利用可能である。
　上記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含んでもよい。
　超音波振動子には、超音波を生成するための駆動信号と、超音波の検知により生じる検知信号が流れるが、駆動信号と検知信号では信号強度が大きく異なる。上記構成によれば、ＴＲスイッチにより信号経路を切り替えることで検知信号のみをアンプによって増幅させることが可能であり、インピーダンス整合回路の形成が可能である。
　上記半導体チップは、上記アンプが設けられた第１の半導体チップと、上記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含んでもよい。
　複数の半導体チップによってインピーダンス整合回路を形成することにより、各半導体チップのサイズを縮小することが可能であり、サイズが小さい超音波振動子にもインピーダンス整合回路を搭載することが可能である。
　上記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップであってもよい。
　ＳＯＩチップは、サイズが小さく、漏洩電流が少ない等の利点があり、超音波振動子に接合される半導体チップとして好適である。
　上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含んでもよい。
　超音波振動子の振動周波数は圧電体層の厚さによって異なるが、超音波振動子とインピーダンス整合回路が一体化されていることにより、振動周波数が大きく異なる超音波振動子も高い自由度で配置することが可能となる。
　上記超音波アレイ振動子は、上記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）をさらに具備してもよい。
　超音波振動子とＭＥＭＳをアレイ化することにより、超音波の生成を超音波強度が大きい超音波振動子で行い、反射波の検知を感度の高いＭＥＭＳで行うことができ、検知感度の向上を実現することが可能となる。
　上記超音波アレイ振動子は、上記超音波振動子と共にアレイを構成する光学素子をさらに具備してもよい。
　超音波振動子と光学素子をアレイ化することにより、光学素子から照射される光で生じる超音波を超音波振動子で検知する光超音波イメージングを一つのアレイで実現することが可能となる。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波アレイ振動子の製造方法は、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する。
　上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含んでもよい。
　上記超音波アレイ振動子の製造方法は、ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装してもよい。
　上記超音波アレイ振動子の製造方法は、ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共に光学素子を実装してもよい。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波プローブは、超音波アレイ振動を具備する。
　上記超音波アレイ振動子は、アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブと、本体とを具備する。
　上記超音波プローブは、アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える。
　上記本体は、上記超音波プローブが接続され、上記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、上記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する。
　以上のように、本技術によれば、インピーダンス整合効果が高く、生産性に優れた超音波アレイ振動子、超音波アレイ振動子の製造方法、超音波プローブ及び超音波診断装置を提供することが可能である。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の実施形態に係る超音波診断装置の模式図である 同超音波診断装置が備える超音波アレイ振動子の断面図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの斜視図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの回路構成を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの配列を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、コンベックス型超音波プローブにおける配列を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、ハナフィーレンズ型超音波プローブにおける配列を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの、１Ｄ配列アレイを示す斜視図である。 同超音波アレイ振動子が備える振動子モジュールの回路構成を示す模式図である。 比較例に係る超音波アレイ振動子を備えるＩＶＵＳの模式図である。 本技術の実施形態に係る超音波アレイ振動子を備えるＩＶＵＳの模式図である。 本技術の実施形態に係る、振動子モジュール及びＭＥＭＳモジュールを備える超音波アレイ振動子の断面図である。 同超音波アレイ振動子の配列を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。 本技術の実施形態に係る、振動子モジュール及び光学素子モジュールを備える超音波アレイ振動子の断面図である。 同超音波アレイ振動子の配列を示す模式図である。 同超音波アレイ振動子の製造方法を示す模式図である。
　［超音波診断装置の構成］
　図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１の構成を示す模式図である。同図に示すように超音波診断装置１は、本体１１、超音波プローブ１２及びケーブル１５を備える。本体１１と超音波プローブ１２はケーブル１５によって接続されている。
　本体１１は、ケーブル１５を介して超音波プローブ１２に駆動信号を供給すると共に、超音波プローブ１２から出力された超音波の検知信号から超音波画像を生成し、ディスプレイに表示させる。
　超音波プローブ１２は、アレイ振動子１２１を備え、診断対象物に接触して超音波を出射し、その反射波を検知する。超音波プローブ１２は、ケーブル１５を介して本体１１から駆動信号の供給を受けると共に、検知信号を本体１１に出力する。
　超音波プローブ１２の種類は特に限定されず、リニア型、セクタ型、コンベックス型等あるいはラジアル型の各種超音波プローブのいずれであってもよく、２次元型アレイであってもよい。また、超音波プローブ１２は血管等に挿入可能な超音波カテーテルであってもよい。
　［アレイ振動子の構成］
　図２はアレイ振動子１２１の構造を示す断面図である。同図に示すように、アレイ振動子１２１は、基板１２２、振動子層１２３、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を備える。これらは、基板１２２、振動子層１２３、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６の順で積層されている。
　基板１２２は、リジッドプリント基板やＦＰＣ（flexible printed circuits）基板等の基板であり、実装面には配線Ｈ及びバンプＢが形成されている。配線Ｈは、ケーブル１５を介して本体１１に接続されている。
　振動子層１２３は、複数の振動子モジュール１２０と充填材１２７から構成されている。複数の振動子モジュール１２０は、それぞれがバンプＢによって基板１２２に実装されており、各振動子モジュール１２０の間には、充填材１２７が充填されている。充填材１２７は、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂又は音響吸収剤とすることができる。振動子モジュール１２０の詳細については後述する。
　なお、図２には３つの振動子モジュール１２０のみが示されているが、実際にはアレイ振動子１２１はより多数（数百から数千個程度）の振動子モジュール１２０を備えるものである。
　上部電極層１２４は、後述する圧電体層１３１の電極として機能する。上部電極層１２４は導電性材料からなり、例えば金属メッキである。なお、上部電極層１２４は、図２に示すように複数の振動子モジュール１２０にわたって形成されていてもよく、個々の振動子モジュール１２０毎に分離されていてもよい。
　音響整合層１２５は、診断対象物と超音波振動子１３０の間の音響インピーダンスの差を低減し、超音波の診断対象物への反射を防止する。音響整合層１２５は、合成樹脂やセラミックス材料からなる。音響整合層１２５は、図２に示すように２層であってもよく、１層又は３層以上であってもよい。
　音響レンズ１２６は、振動子層１２３において生成された超音波を集束させる。音響レンズ１２６は、図１に示すように超音波プローブ１２の先端部に位置し、診断対象物に接触する。音響レンズ１２６はシリコーンゴム等からなり、そのサイズや形状は特に限定されない。
　［振動子モジュールの構成］
　図３は、振動子モジュール１２０の模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０を備える。各振動子モジュール１２０には、電源配線１５１、信号配線１５２及びグランド配線１５３が接続されている。
　超音波振動子１３０は、それぞれが、圧電体層１３１、下部電極層１３２及びバッキング層１３３を備える。これらは、バッキング層１３３、下部電極層１３２及び圧電体層１３１の順で積層されている。
　圧電体層１３１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなる。圧電体層１３１は、下部電極層１３２と上部電極層１２４（図２参照）の間に電圧が印加されると、逆圧電効果による振動を生じ、超音波を生成する。また、診断対象物からの反射波が圧電体層１３１に入射すると、圧電効果による分極を生じる。圧電体層１３１のサイズは特に限定されないが、例えば２５０μｍ角とすることができる。
　下部電極層１３２は、圧電体層１３１の電極として機能する。下部電極層１３２は導電性材料からなり、例えば金属メッキである。
　バッキング層１３３は、回路チップ１４０上に積層され超音波振動子１３０の不要な振動を吸収する。バッキング層１３３は、フィラーと合成樹脂を混合した材料等からなる。
　回路チップ１４０は、各超音波振動子１３０に接合され、超音波振動子１３０のインピーダンス整合回路を構成する。回路チップ１４０は半導体材料からなる半導体チップであり、具体的には、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）プロセスによって作成されたＳＯＩチップとすることができる。より具体的には、回路チップ１４０は、ＢＣＤ－ＳＯＩ（バイポーラ・ＣＭＯＳ・ＤＭＯＳ）プロセスによって作成されたＢＧＤ－ＳＯＩチップとすることができる。
　回路チップ１４０は、それぞれが超音波振動子１３０に接合されていればよく、必ずしもバッキング層１３３と基板１２２の間に配置されなくてもよい。また、回路チップ１４０は、全ての超音波振動子１３０に接合されていなくてもよく、一部の超音波振動子１３０にのみ接合されていてもよい。回路チップ１４０の大きさは、超音波振動子１３０の底面と同等又はより小さい大きさとすることができる。
　図４は、回路チップ１４０の回路構成を示す模式図である。同図に示すように、回路チップ１４０は、第１ＴＲ（transmit-receive）スイッチ１４１、アンプ１４２及び第２ＴＲスイッチ１４３を備える。
　電源配線１５１は、アンプ１４２に接続されている。信号配線１５２は、上部電極層１２４に接続され、アンプ１４２を経由しない信号配線１５２Ａとアンプ１４２を経由する信号配線１５２Ｂに分かれている。グランド配線１５３は、下部電極層１３２に接続されている。
　第１ＴＲスイッチ１４１は、信号配線１５２に接続され、信号配線１５２Ａと信号配線１５２Ｂの間で信号の経路を切り替える。第１ＴＲスイッチ１４１は、トランジスタ又はダイオードとすることができる。
　アンプ１４２は、信号配線１５２Ｂに接続され、電源配線１５１から供給された電力を利用して、信号配線１５２Ｂを流れる信号を増幅する。アンプ１４２は、ダイオードとすることができる。
　第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２に接続され、信号配線１５２Ａと信号配線１５２Ｂの間で信号の経路を切り替える。信号の経路を切り替える。第２ＴＲスイッチ１４３は、トランジスタ又はダイオードとすることができる。
　振動子モジュール１２０は以上のような構成を有する。上記のように振動子モジュール１２０にはそれぞれインピーダンス整合回路を構成する回路チップ１４０が設けられているため、超音波振動子とインピーダンス整合回路の間の配線長が短く、インピーダンス整合の効果が高い。これにより、ＳＮＲ（signal-noise ratio）の向上、ひいては超音波画像のコントラスト向上が実現可能である。
　［超音波診断装置の動作］
　超音波診断装置１の動作について説明する。超音波診断装置１の電源が投入されると、本体１１からケーブル１５を介して超音波プローブ１２に電力が供給される（図１参照）。電力は基板１２２を介して電源配線１５１に流れ、アンプ１４２に供給される（図４参照）。
　超音波プローブ１２が診断対象物に当接され、診断開始の指示入力がなされると、本体１１は駆動信号を生成する。駆動信号は、ケーブル１５を介して超音波プローブ１２に供給され、基板１２２を介して信号配線１５２に流れる。この際、第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２Ａ側に切り替えられ、駆動信号は
第２ＴＲスイッチ１４３及び第１ＴＲスイッチ１４１を経由して上部電極層１２４に供給される。
　上部電極層１２４と下部電極層１３２の間の電位差により、圧電体層１３１において逆圧電効果による振動が生じ、超音波が生成する。生成した超音波は、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を介して診断対象物に入射する。
　診断対象物において生じた反射波は、音響レンズ１２６及び音響整合層１２５を介して圧電体層１３１に入射する。圧電体層１３１において圧電効果により分極が生じ、信号配線１５２に電流（以下、検知信号）が流れる。この際、第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３は、信号配線１５２Ｂ側に切り替えられ、検知信号はアンプ１４２によって増幅される。増幅された検知信号は第１ＴＲスイッチ１４１から信号配線１５２に流れ、基板１２２及びケーブル１５を介して本体１１に伝達される。
　本体１１は、検知信号に基づいて超音波画像を生成する。上記のように、駆動信号はアンプ１４２を経由せずに上部電極層１２４に伝達されるが、検知信号はアンプ１４２によって増幅され、本体１１に伝達される。駆動信号と検知信号の経路の切替は第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３によってなされる。これにより、信号強度が大きい駆動信号と、信号強度が小さい検知信号のインピーダンスの整合が実現される。
　［アレイ振動子の製造方法］
　図５乃至図８は、アレイ振動子１２１の製造方法を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、犠牲基板Ｋ上に回路チップ１４０を配置する。回路チップ１４０は、ＵＶ（ultraviolet）照射によって剥離する接着剤によって犠牲基板Ｋに接着させることができる。
　続いて、図５（ｂ）に示すように、犠牲基板Ｋ及び回路チップ１４０上にバッキング層１３３を積層する。続いて、図５（ｃ）に示すようにバッキング層１３３の一部を除去し、回路チップ１４０を露出させる。除去により形成された開口を開口１３３ａとする。
　続いて、図６（ａ）に示すように、開口１３３ａ内及びバッキング層１３３の上層に導電体Ｄ１を配置する。導電体Ｄ１は例えば、銅等の金属からなる。続いて、図６（ｂ）に示すように、導電体Ｄ１上に導電体Ｄ２を配置する。導電体Ｄ２は導電性接着剤とすることができる。導電体Ｄ１と導電体Ｄ２は下部電極層１３２を構成する。
　続いて、図６（ｃ）に示すように、導電体Ｄ２上に圧電体層１３１を配置し、導電体Ｄ２によって接着させる。続いて、図７（ａ）に示すように、圧電体層１３１及びバッキング層１３３をダイシングによりカットし、個々の振動子モジュール１２０に分離する。
　続いて、振動子モジュール１２０を犠牲基板Ｋから分離する。紫外線照射によって回路チップ１４０と犠牲基板Ｋの間の接着を剥離させることができる。図７（ｂ）は、犠牲基板Ｋから分離した振動子モジュール１２０を示す模式図である。
　続いて、図７（ｃ）に示すように、振動子モジュール１２０を基板１２２に実装する。同図に示すように、基板１２２上には配線Ｈ及びバンプＢが形成されている。なお、配線Ｈは上記電源配線１５１、信号配線１５２及びグランド配線１５３である。振動子モジュール１２０は、回路チップ１４０をバンプＢによって配線Ｈに接続することによって基板１２２に実装することができる。
　続いて、図８（ａ）に示すように、他の振動子モジュール１２０を基板１２２にそれぞれ実装する。なお、このように実装対象物を個別に実装する方法はピックアンドプレイス（Pick＆Place)法と呼ばれる。
　続いて、図８（ｂ）に示すように、振動子モジュール１２０の間に充填材１２７を充填し、振動子層１２３を形成する。続いて図８（ｃ）に示すように振動子層１２３上に上部電極層１２４及び音響整合層１２５を積層する。
　続いて、音響整合層１２５上に音響レンズ１２６を積層する（図２参照）。以上のようにしてアレイ振動子１２１を製造することが可能である。上記のように、本実施形態に係るアレイ振動子１２１は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０が一体的に構成されているため、ピックアンドプレイス法による実装が可能である。
　ここで、超音波診断装置に用いられるアレイ振動子は、超音波振動子の数が数千個程度であり、特に医療用超音波プローブにおいては各々の診断科目によって超音波プローブの構成が異なるため、ピックアンドプレイス法によっても高コストにはならない。
　また、従来は、アレイ振動子の形状が異なる多種の超音波プローブに対して個別にアレイ振動子を作製する必要があった。これに対し、本実施形態では、ピックアンドプレイス法により振動子モジュール１２０を自由に配置できるため、同一構造の振動子モジュール１２０を多種の超音波プローブに利用することが可能である。
　なお、アレイ振動子１２１の製造方法は上記のものに限られない。図９は、アレイ振動子１２１の他の製造方法を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、犠牲基板Ｋに回路チップ１４０を配置した後、図９（ａ）に示すように回路チップ１４０の厚さと同等の厚さでバッキング層１３３を形成する。
　また、図９（ｂ）に示すように、バッキング層１３３、導電体Ｄ１及び導電体Ｄ２を積層した構造体を作製する。当該積層体を図９（ａ）に示す構造体に積層することにより図６（ｂ）に示す構造体を作製することが可能である。以後は、上記説明と同様の製造方法でアレイ振動子１２１を製造することができる。
　［振動子モジュールの配列について］
　上記のように、本実施形態に係る超音波プローブ１２では、超音波振動子１３０にそれぞれ回路チップ１４０が設けられた振動子モジュール１２０を備え、振動子モジュール単位で基板１２２に実装することができる。このため、振動子モジュール１２０の配列の自由度が高い。
　図１０は、振動子モジュール１２０の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向（図２参照）から振動子モジュール１２０をみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０は、ハニカム２Ｄ配列とすることができる。ハニカム２Ｄ配列は、基板１２２に垂直な方向からみた振動子モジュール１２０の中心点を結ぶ線が正六角形となる配列である。
　一般に、超音波プローブでの課題としてサイドローブ（超音波が指向する中心方向から外れた方向に放出される超音波）の低減が挙げられる。ハニカム２Ｄ配列は、隣接する超音波振動子１３０の間隔を大きくすることができるため、サイドローブを抑制することができる。
　特にアレイ振動子の製造に従来から利用されているダイスアンドフィル（Dice＆Fill)法は、格子状に小さくダイシングした圧電素子上に大きなハニカム２Ｄ配列の電極を配置するが、この方法では実質的な素子ピッチが低下する。これに対し本実施形態に係るアレイ振動子１２１では、ピックアンドプレイス法により、素子加工の最小ピッチで超音波振動子１３０を配列させることが可能である。
　図１１は、本実施形態に係る振動子モジュール１２０によって構成されたコンベックス型超音波プローブの模式図である。同図に示すように、コンベックス型超音波プローブでは、振動子モジュール１２０を湾曲面状に配列する必要がある。しかしながら、ＡＳＩＣによってインピーダンス整合回路を実現している従来構造では、湾曲面にＡＳＩＣを配置することが困難であった。
　これに対し、本実施形態に係るアレイ振動子１２１は、超音波振動子１３０に回路チップ１４０が一体化された振動子モジュール１２０によって構成されているため、図１１に示すように、振動子モジュール１２０を高密度に実装することができる。これにより、超音波画像のコントラスト向上とスライス分解能（診断対象物の奥行き方向の分解能）の改善が可能である。
　図１２は、本実施形態に係る振動子モジュール１２０によって構成されたハナフィーレンズ形超音波プローブを示す模式図である。ハナフィーレンズは、スライス分解能を向上させるために、生成する超音波の周波数が異なる２種以上の超音波振動子をアレイ振動子としたものである。
　同図に示すように、アレイ振動子１２１は、振動の中心周波数が低い（開口径が大きい）超音波振動子１３０Ｌを備える振動子モジュール１２０Ｌと、振動の中心周波数が高い（開口径が小さい）超音波振動子１３０Ｈを備える振動子モジュール１２０Ｈから構成されている。なお、超音波振動子１３０の周波数は圧電体層１３１の厚さによって決まるため、超音波振動子１３０Ｌが備える圧電体層１３１と超音波振動子１３０が備える圧電体層１３１は厚さが異なる。
　ハナフィーレンズは、内周側と外周側で超音波の焦点位置を変えることにより、深さ方向での超音波ビーム径を一様にすることができる。上記のように、超音波振動子の周波数は圧電体層の厚さによって決まるため、従来は、圧電体層を曲面状に加工するカービングと圧電体層を分離するダイシングによってアレイ振動子が作製されていた。これに対し、本実施形態では、予め圧電体層１３１の厚さが異なる超音波振動子１３０を作製し、ピックアンドプレイス法により個別に実装することができる。
　これにより、カービングを利用する場合に比べて、超音波振動子１３０Ｌと超音波振動子１３０Ｈの周波数の差異が大きいアレイ振動子１２１を作製することが可能である。また、超音波振動子１３０Ｌと超音波振動子１３０Ｈの配置を自由に決定することも可能となる。さらに、ハナフィーレンズにおいても上記ハニカム２Ｄ配置とすることが可能であり、サイドローブの低減が可能である。
　［回路チップの配置及び数について］
　上述のように、アレイ振動子１２１を構成する振動子モジュール１２０は、超音波振動子１３０と回路チップ１４０から構成されている。ここで、回路チップ１４０は、一つのチップではなく、複数のチップであってもよい。
　図１３は、複数の回路チップを備える振動子モジュール１２０から構成されたアレイ振動子１２１を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１２１は、幅が狭い超音波振動子１３０が一方向に配列した狭ピッチ１Ｄ配列アレイとすることも可能である。回路チップ１４０は、回路チップ１４０Ａ、回路チップ１４０Ｂ及び回路チップ１４０Ｃの３つの回路チップを含むものとすることができる。
　図１４は、回路チップ１４０Ａ～Ｃの回路構成を示す模式図である。同図に示すように、回路チップ１４０Ａは第２ＴＲスイッチ１４３を、回路チップ１４０Ｂはアンプ１４２を、回路チップ１４０Ｃは第１ＴＲスイッチ１４１をそれぞれ備えるものとすることができる。第１ＴＲスイッチ１４１、アンプ１４２及び第２ＴＲスイッチ１４３の動作は上述のものと同一である。回路チップ１４０Ａ～Ｃは、回路チップ１４０をダイシングによりカットして作製してもよく、個別に作製してもよい。
　回路チップ１４０を、インピーダンス整合回路を構成する素子毎に分割することにより、回路チップ１４０のサイズを小型化し、狭ピッチ１Ｄ配列アレイのように超音波振動子１３０の幅が狭くても、超音波振動子１３０に接合させることが可能となる。なお、回路チップ１４０は、２つの回路チップを含むものであってもよく、例えば、アンプ１４２を備える回路チップと第１ＴＲスイッチ１４１及び第２ＴＲスイッチ１４３を備える回路チップを含むものとすることもできる。
　［ＩＶＵＳへの応用について］
　ＩＶＵＳ（intravascular ultrasound：血管内超音波内視鏡）は、超音波プローブの一種であり、心冠状血管の血管壁の観察に利用される。ＩＶＵＳは、複数の超音波振動子が円周状に配置されたアレイ振動子と、各超音波振動子から出力される検知信号を増幅するアンプを備える。
　図１５は、従来構造を有するＩＶＵＳ３００の模式図である。同図に示すように、ＩＶＵＳ３００は、カテーテル３０１、アレイ振動子３０２、信号処理チップ３０３及び配線３０４を備える。アレイ振動子３０２において生成された超音波は、血管に挿入されるカテーテル３０１を介して血管壁に照射され、その反射波はカテーテル３０１を介してアレイ振動子３０２に入射し、検知される。検知信号は信号処理チップ３０３において増幅され、配線３０４を介して本体に伝達される。
　このようにＩＶＵＳ３００においては、アレイ振動子３０２とは別に信号処理チップ３０３を設ける必要があり、信号処理チップ３０３によってＩＶＵＳ３００の屈折が妨げられ、カテーテル３０１の操作が困難となっていた。
　図１６は、本実施形態に係るアレイ振動子１２１を利用したＩＶＵＳ４００の模式図である。同図に示すように、ＩＶＵＳ４００は、カテーテル４０１、アレイ振動子１２１、及び配線４０２を備える。アレイ振動子１２１において生成された超音波は、血管に挿入されるカテーテル４０１を介して血管壁に照射され、その反射波はカテーテル４０１を介してアレイ振動子１２１に入射し、検知される。検知信号はアレイ振動子１２１が備える回路チップ１４０において増幅され、配線４０２を介して本体に伝達される。
　アレイ振動子１２１は回路チップ１４０を備えるため、ＩＶＵＳ４００には、アレイ振動子１２１とは別に信号処理チップを設ける必要がない。したがって、ＩＶＵＳ４００の屈折が信号処理チップによって妨げられず、カテーテル４０１の操作が容易となる。なお、ＩＶＵＳ４００にはインピーダンス整合回路とは別の信号処理チップが設けられる場合もあるが、その場合でもインピーダンス整合回路が不用であるため、信号処理チップのサイズを縮小することが可能である。
　［超音波振動子とＭＥＭＳの混載について］
　本実施形態に係る振動子モジュール１２０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を備えるＭＥＭＳモジュールと混載することも可能である。
　図１７は、振動子モジュールとＭＥＭＳモジュールを混載したアレイ振動子１６０を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１６０は、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１を備える。アレイ振動子１６０のこの他の構成は、上記アレイ振動子１２１と同一である
　ＭＥＭＳモジュール１６１は、ＭＥＭＳ１６２、下部電極層１６３、バッキング層１６４及び回路チップ１６５を備える。ＭＥＭＳ１６２は、ＭＥＭＳにより形成された超音波センサであり、具体的なＭＥＭＳの構造は特に限定されない。下部電極層１６３、バッキング層１６４及び回路チップ１６５の構成は、振動子モジュール１２０の各構成と同一である。なお、ＭＥＭＳモジュール１６１は、この構成に限られず、少なくともＭＥＭＳ１６２を備えるものであればよい。
　図１８は、アレイ振動子１６０における振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向からみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１は基板１２２上に混載され、アレイを構成している。なお、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１の配列は図１８に示すものに限られない。
　この構成により、超音波の生成には超音波強度が大きい振動子モジュール１２０を利用し、反射波の検知には感度の高いＭＥＭＳモジュール１６１を利用することが可能となる。これにより、超音波検知感度の向上が可能となる。
　図１９は、アレイ振動子１６０の製造方法を示す模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０とＭＥＭＳモジュール１６１は共にピックアンドプレイス法によって基板１２２に実装することが可能である。両モジュールを基板１２２に実装後、アレイ振動子１２１と同様に充填材１２７、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を形成し、図１７に示すアレイ振動子１６０を製造することが可能である。
　［超音波振動子と光学素子の混載について］
　本実施形態に係る振動子モジュール１２０は、光学素子を備える光学素子モジュールと混載することも可能である。
　図２０は、振動子モジュールと光学素子モジュールを混載したアレイ振動子１７０を示す模式図である。同図に示すように、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１を備える。アレイ振動子１７０のこの他の構成は、上記アレイ振動子１２１と同一である
　光学素子モジュール１７１は、光学素子１７２、下部電極層１７３、バッキング層１７４及び回路チップ１７５を備える。光学素子１７２は、発光する素子であり、例えば、レーザーダイオードである。下部電極層１７３、バッキング層１７４及び回路チップ１７５の構成は、振動子モジュール１２０の各構成と同一である。なお、光学素子モジュール１７１は、この構成に限られず、少なくとも光学素子１７２を備えるものであればよい。
　図２１は、アレイ振動子１７０における振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１の配列を示す模式図であり、基板１２２に垂直な方向からみた図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１は基板１２２上に混載され、アレイを構成している。なお、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１の配列は図２１に示すものに限られない。
　この構成により、光学素子モジュール１７１から生成する光を診断対象物に照射し、発生する熱を振動子モジュール１２０で検知してイメージング化する光超音波イメージングが可能となる。
　従来は、光超音波イメージングのためには光学素子を備える発光デバイスと音響素子を備える音響デバイスを別々に容易する必要があった。本技術によれば上記のように超音波振動子１３０と光学素子１７２をひとつのアレイとして構成することが可能であり、単一の超音波プローブによって光超音波イメージングを実現することが可能となる。
　図２２は、アレイ振動子１７０の製造方法を示す模式図である。同図に示すように、振動子モジュール１２０と光学素子モジュール１７１は共にピックアンドプレイス法によって基板１２２に実装することが可能である。両モジュールを基板１２２に実装後、アレイ振動子１２１と同様に充填材１２７、上部電極層１２４、音響整合層１２５及び音響レンズ１２６を形成し、図２０に示すアレイ振動子１７０を製造することが可能である。
　なお、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０に代えて、上述したＭＥＭＳモジュール１６１を備えるものとすることも可能である。また、アレイ振動子１７０は、振動子モジュール１２０、ＭＥＭＳモジュール１６１及び光学素子モジュール１７１の３種のモジュールをひとつのアレイとして構成することも可能である。
　アレイ振動子１６０及びアレイ振動子１７０の他にも、ピックアンドプレイス法によって実装が可能なあらゆる素子を振動子モジュール１２０と共に実装し、振動子モジュール１２０と共にアレイ化させることができる。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
　（１）
　アレイを構成する超音波振動子と、
　上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップと
　を具備する超音波アレイ振動子。
　（２）
　上記（１）に記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含む
　超音波アレイ振動子。
　（３）
　上記（１）に記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記半導体チップは、上記アンプが設けられた第１の半導体チップと、上記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含む
　超音波アレイ振動子。
　（４）
　上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップである
　超音波アレイ振動子。
　（５）
　上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む
　超音波アレイ振動子。
　（６）
　上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）
　をさらに具備する超音波アレイ振動子。
　（７）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子であって、
　上記超音波振動子と共にアレイを構成する光学素子
　をさらに具備する超音波アレイ振動子。
　（８）
　インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する
　超音波アレイ振動子の製造方法。
　（９）
　上記（８）に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
　上記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、上記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む
　超音波アレイ振動子の製造方法。
　（１０）
　上記（８）又は（９）に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
　ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装する
　超音波アレイ振動子の製造方法。
　（１１）
　上記（８）から（１０）のいずれか一つに記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
　ピックアンドプレイス法によって、上記超音波振動子と共に光学素子を実装する
　超音波アレイ振動子の製造方法。
　（１２）
　アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する超音波アレイ振動子
　を具備する超音波プローブ。
　（１３）
　アレイを構成する超音波振動子と、上記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える超音波プローブと、
　上記超音波プローブが接続され、上記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、上記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する本体と
　を具備する超音波診断装置。
　１…超音波診断装置
　１１…本体
　１２…超音波プローブ
　１２０…振動子モジュール
　１２１…アレイ振動子
　１２２…基板
　１２３…振動子層
　１２４…上部電極層
　１２５…音響整合層
　１２６…音響レンズ
　１２７…充填材
　１３０…超音波振動子
　１３１…圧電体層
　１３２…下部電極層
　１３３…バッキング層
　１６０…アレイ振動子
　１６１…ＭＥＭＳモジュール
　１７０…アレイ振動子
　１７１…光学素子モジュール

Claims (13)

  1. 　アレイを構成する超音波振動子と、
    　前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップと
    　を具備する超音波アレイ振動子。
  2. 　請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記インピーダンス整合回路は、アンプとＴＲ（transmit-receive）スイッチを含む
    　超音波アレイ振動子。
  3. 　請求項２に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記半導体チップは、前記アンプが設けられた第１の半導体チップと、前記ＴＲスイッチが設けられた第２の半導体チップとを含む
    　超音波アレイ振動子。
  4. 　請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記半導体チップは、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）チップである
    　超音波アレイ振動子。
  5. 　請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む
    　超音波アレイ振動子。
  6. 　請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記超音波振動子と共にアレイを構成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）
    　をさらに具備する超音波アレイ振動子。
  7. 　請求項１に記載の超音波アレイ振動子であって、
    　前記超音波振動子と共にアレイを構成する光学素子
    　をさらに具備する超音波アレイ振動子。
  8. 　インピーダンス整合回路を形成する半導体チップが接合された超音波振動子を、ピックアンドプレイス法によって実装する
    　超音波アレイ振動子の製造方法。
  9. 　請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
    　前記超音波振動子は、第１の周波数を振動の中心周波数とする第１の超音波振動子と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数を振動の中心周波数とする第２の超音波振動子とを含む
    　超音波アレイ振動子の製造方法。
  10. 　請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
    　ピックアンドプレイス法によって、前記超音波振動子と共にＭＥＭＳを実装する
    　超音波アレイ振動子の製造方法。
  11. 　請求項８に記載の超音波アレイ振動子の製造方法であって、
    　ピックアンドプレイス法によって、前記超音波振動子と共に光学素子を実装する
    　超音波アレイ振動子の製造方法。
  12. 　アレイを構成する超音波振動子と、前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを具備する超音波アレイ振動子
    　を具備する超音波プローブ。
  13. 　アレイを構成する超音波振動子と、前記超音波振動子のそれぞれに接合された、インピーダンス整合回路を形成する半導体チップとを有する超音波アレイ振動子を備える超音波プローブと、
    　前記超音波プローブが接続され、前記超音波アレイ振動子に駆動信号を供給し、前記超音波アレイ振動子から出力される検知信号に基づいて超音波画像を生成する本体と
    　を具備する超音波診断装置。
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