JP4347885B2 - 静電容量型超音波振動子の製造方法、当該製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備えた超音波内視鏡装置、静電容量型超音波プローブおよび静電容量型超音波振動子 - Google Patents
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Description
P=−εr×8.854e−12×W2/d2×V2(εr:電極間材料の誘電率、W2:電極面積、d:電極間距離、V:印加電圧)で表される。また、中心周波数fcは、
fc=(π/2)×(tm/W2)(E/12ρ)1/2(tm:メンブレンの厚さ、E:ヤング率、ρ:密度)で表される。したがって、電極面積W2を大きくすることは、超音波送信音圧を大きくするものの同時に中心周波数の低下を引き起こすので、高い周波数領域で高い音圧を得ることが極めて難しかった。
前記第1の電極と前記第2の電極との間の空間であるキャビティを形成するための第2の基板に該キャビティを形成するとともに、該キャビティの底部に該第2の電極を形成する基板形成工程と、前記第2の基板の前記キャビティをレジスト剤で充填させて犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、前記第2の基板の前記レジスト剤で充填された側の面に前記高誘電率膜を含む1以上の膜を形成する高誘電率膜形成工程と、前記膜の上に前記第1の電極を形成する電極形成工程と、前記第1の電極及び前記膜に孔を貫通させ、該孔から前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、を備えることを特徴とする。
また、本発明による超音波内視鏡装置は、上記静電容量型超音波振動子の製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備える。
本発明による静電容量型超音波プローブは、医療診断用静電容量型超音波プローブであって、
生体の音響インピーダンスと、静電容量型超音波プローブを構成する超音波振動子セルの音響インピーダンスとの間に、両音響インピーダンスを音響整合する音響整合手段を有し、前記音響整合手段が、凹凸形状をした保護膜ホーンを有することを特徴とする。
本発明による静電容量型超音波プローブは、メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子を内蔵した静電容量型超音波プローブにおいて、
前記静電容量型超音波振動子を構成する前記メンブレン部を曲面形状にした曲面状メンブレン部により超音波ビームを構造的に集束する集束手段を形成したことを特徴とする。
さらに本発明による静電容量型超音波振動子は、メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段を備え、前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方は可撓性材料からなり、可撓性材料からなる前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方に変形を容易にする手段を施し、前記変形を容易にする手段を施した構造体を球面に変形させ、その状態で固定したことを特徴とする。
さらに本発明による静電容量型超音波振動子は、メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段を備え、前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方は可撓性材料からなり、可撓性材料からなる前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方に変形を容易にする手段を施し、前記変形を容易にする手段を施した構造体を非球面に変形させ、その状態で固定したことを特徴とする。
さらに本発明による静電容量型超音波プローブは、渦巻状基板の長さ方向に、静電容量型超音波振動子セルが複数配列されていて、前記渦巻状基板の長手方向の全ての位置が球面に接する変形を受けた状態のまま、保持手段に固定した構造を有することを特徴とする。
さらに本発明による静電容量型超音波振動子は、メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段を備え、前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、前記凹部の内面が球面又は球面に近い非球面をしていて、該球面又は球面に近い非球面の一部の領域を残して、更に微細な凹面加工面を形成し、該一部の微細な凹部加工を施していない面に下部電極を形成した後、片面に電極を施した可撓性シートを上接してなる構造を有することを特徴とする。
さらに本発明による静電容量型超音波振動子の製造方法は、基板の一方の面に、球面又は球面に近い非球面を形成する第1のステップと、前記球面又は球面に近い非球面に、一部の領域を残して、更に微細な凹面加工面を形成する第2のステップと、前記第2のステップの後、前記一部の微細な凹部加工を施していない面に下部電極を形成する第3のステップと、前記第3のステップの後、下部電極の上面に上部電極を施した振動可能な可撓性シートを接合した第4のステップと、を有する。
図1A及び図1Bは、本実施形態における静電容量型超音波振動子(c−MUT)1の基本構造を示す。図1Aは、静電容量型超音波振動子の全体断面図を示す。この図1Aに示す静電容量型超音波振動子の単位をエレメントという。静電容量型超音波振動子には、シリコン基板2の表面に複数の凹部がある。この1単位をセル10という。各セル10に蓋をするようにメンブレン9がシリコン基板2の上面に被さっている。メンブレン9は、上部電極7と後述する高誘電率酸化物層8とからなる薄膜(高誘電率膜)である。
本実施形態では、樹脂製キャビティ形成用基板を用いて静電容量型超音波振動子を製造する方法の一例について説明する。なお、以下でキャビティとは、上部電極と下部電極との間の空間をいい、必ずしも空洞である必要はない。また、最終製造時にキャビティとなる前の工程(中間段階)で生成する凹部、または孔もキャビティという。
本実施形態では、陽極接合技術を用いた静電容量型超音波振動子の製造方法について説明する。陽極接合技術とは、数百℃の温度下で数百Vの直流電圧を印加し、シリコン表面とガラス表面とでSi−Oの共有結合を介して張り合わせる技術のことである。本実施形態では、この技術を用いて、キャビティを型成形により形成する。ガラスは、ナトリウムイオン等の可動イオンを含むガラスである。
図6〜図23Hは本発明の第4の実施形態に係り、図6は本発明の第4の実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイを備えた超音波診断装置の電気系の全体構成を示し、図7A及び図7Bは信号発生回路により発生されるRF信号及び送信ビームフォーマにより生成されるRF信号を示し、図8は本実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイの構造を示し、図9は駆動しない時の積層型静電容量型超音波振動子エレメントの断面構造の一部を示し、図10は駆動時における積層型静電容量型超音波振動子エレメントの断面構造の一部を示し、図11は積層型静電容量型超音波振動子エレメントを送受信に兼用する場合の構成例を示す。
図24は本発明の第5の実施形態の静電容量型超音波プローブ装置における静電容量型超音波プローブを示す図であり、図25は図24の静電容量型超音波プローブ先端部を拡大して示す斜視図である。
図30は本発明の第6の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。符号221はポーラスシリコン,ポーラス樹脂等のポーラス材、223は流動パラフィン等の音響媒体、224はキャップ等の外皮である。
図31は本発明の第7の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。図32は図31における凹凸のポリイミドのシート(以下、PIシート)の平面図を示している。これらの図において、符号230は凹凸のPIシート、231は保護膜ホーン、232はひだ部、233は変位部、234,235は変位、236は静電容量型超音波振動子セルにおけるメンブレン中心部、237は静電容量型超音波振動子セル領域、238は折れ稜線、をそれぞれ示している。
図33及び図34は本発明の第8の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。これらの図において、符号240は第一音響整合層、241は第二音響整合層、242は空気層、244は超音波放射孔、245は超音波送信方向、246は診断対象物、247は空洞層である。なお、メンブレン215を形成する高分子膜はフレキシブルフィルムで構成されており、符号243はフレキシブルフィルムの振動変位を示している。
(ρc)s<(ρc)m1<(ρc)m2<(ρc)oであることが必要である。
ここで、ρcについては例えば、(ρc)s=10−2Mrayl、(ρc)m1<<1.0Mrayl、(ρc)m2=1.0Mrayl、(ρc)o=1.5Mraylである。
図35及び図36は本発明の第9の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。これらの図において、符号248はシース、249はシリコン基板、250は静電容量型超音波振動子アレイ、251は静電容量型超音波振動子アレイ一部、252は空気層、253は音響整合層、254は同軸ケーブル、255は隔壁、2511は静電容量型超音波振動子セル、2512はメンブレン、2513は空洞部、2514は下部電極、2515は上部電極、2516は制御回路(SW回路)、2517は制御回路、2518はインターコネクト、2519は外部コンタクト電極、をそれぞれ示している。
図37は本発明の第10の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子セルの側断面図を示している。この図において、符号256は樹脂層、257は空隙層、をそれぞれ示している。
図38〜図43は本発明の第11の実施形態に係り、図38は本発明の第11の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブを備えた超音波診断装置の構成を示し、図39は第11の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブの先端側の構成を示し、図40は静電容量型超音波振動子エレメントの構造を示し、図41は図40の底面側から見たメンブレン等の形状を示し、図42は静電容量型超音波振動子エレメントを駆動する電気系の構成を示し、図43は変形例における静電容量型超音波振動子アレイを駆動する電気系の構成を示す。
次に本発明の第12の実施形態を図44A〜図44Cを参照して説明する。第12の実施形態の静電容量型超音波プローブは、第11の実施形態において、図39のハウジング311に取り付けられる図40に示した静電容量型超音波振動子エレメント312とは異なる構造の静電容量型超音波振動子エレメント312Cを採用している。
Claims (19)
- 第1の電極と、該第1の電極に対向し所定の間隔を空けて配置される第2の電極と、前記電極のうちの少なくとも一方の電極の面上であって他方の前記電極に対向している該面上に付与される高誘電率膜とを備える静電容量型超音波振動子の製造方法であって、
前記第1の電極と前記第2の電極との間の空間であるキャビティを形成するための第2の基板に該キャビティを形成するとともに、該キャビティの底部に該第2の電極を形成する基板形成工程と、
前記第2の基板の前記キャビティをレジスト剤で充填させて犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記第2の基板の前記レジスト剤で充填された側の面に前記高誘電率膜を含む1以上の膜を形成する高誘電率膜形成工程と、
前記膜の上に前記第1の電極を形成する電極形成工程と、
前記第1の電極及び前記膜に孔を貫通させ、該孔から前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、
を備えることを特徴とする静電容量型超音波振動子の製造方法。 - 前記第2の基板は、ガラス基板とシリコン基板との2つの基板から構成されており、該2つの基板のうち一方の基板にキャビティを形成するための1以上の孔が設けられ、他方の基板には該孔位置に対応する位置にのみ前記第2の電極が設けられており、該2つの基板を陽極接合により接合することを特徴とする請求項2に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 請求項1に記載の製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備えた超音波内視鏡装置。
- 医療診断用静電容量型超音波プローブであって、
生体の音響インピーダンスと、静電容量型超音波プローブを構成する超音波振動子セルの音響インピーダンスとの間に、両音響インピーダンスを音響整合する音響整合手段を有し、
前記音響整合手段が、凹凸形状をした保護膜ホーンを有することを特徴とする静電容量型超音波プローブ。 - 前記凹凸形状をした保護膜ホーンが、超音波振動子エレメント全体に広がる折り目のあるシートであることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記凹凸形状をした保護膜ホーンの下頂部が、超音波振動子セルの中央部に接する様に配置接続されていることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型超音波プローブ。
- メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子を内蔵した静電容量型超音波プローブにおいて、
前記静電容量型超音波振動子を構成する前記メンブレン部を曲面形状にした曲面状メンブレン部により超音波ビームを構造的に集束する集束手段を形成したことを特徴とする静電容量型超音波プローブ。 - 前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板とによって構成されるキャビティ内に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成したことを特徴とする請求項7に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記球面状メンブレン部の表面に、同心状に円環状電極を形成したことを特徴とする請求項8に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記球面状メンブレン部の表面に、渦巻き状電極を形成したことを特徴とする請求項8に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記円環状電極は、それぞれ異なるタイミングで駆動可能にしたことを特徴とする請求項9に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 超音波送信面側に、少なくとも一層の音響整合層を有することを特徴とする請求項8に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記球面状メンブレン部に複数の通気孔を設けたことを特徴とする請求項8に記載の静電容量型超音波プローブ。
- 前記メンブレン部を曲面形状にすることによる固定焦点と、前記静電容量型超音波振動子を構成する各静電容量型超音波振動子エレメントに駆動電圧を印加するタイミングを制御することにより得られる可変焦点とを合成した焦点を形成可能にしたことを特徴とする請求項8に記載の静電容量型超音波プローブ。
- メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段
を備え、
前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、
前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方は可撓性材料からなり、
可撓性材料からなる前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方に変形を容易にする手段を施し、
前記変形を容易にする手段を施した構造体を球面に変形させ、その状態で固定したことを特徴とする静電容量型超音波振動子。 - メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段
を備え、
前記集束手段は、凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、
前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方は可撓性材料からなり、
可撓性材料からなる前記第1の基板および第2の基板のいずれかまたは双方に変形を容易にする手段を施し、
前記変形を容易にする手段を施した構造体を非球面に変形させ、その状態で固定したことを特徴とする静電容量型超音波振動子。 - 渦巻状基板の長さ方向に、静電容量型超音波振動子セルが複数配列されていて、前記渦巻状基板の長手方向の全ての位置が球面に接する変形を受けた状態のまま、保持手段に固定した構造を有することを特徴とする静電容量型超音波プローブ。
- メンブレン部の振動によって、超音波を送受信する静電容量型超音波振動子において、
超音波ビームを構造的に集束する集束手段
を備え、前記集束手段は、
凹部が形成された第1の基板と、前記凹部の開口部を塞ぐ様に配設される第2の基板との間に配置されるメンブレン部を球面状に形成した球面状メンブレン部により形成し、
前記凹部の内面が球面又は球面に近い非球面をしていて、該球面又は球面に近い非球面の一部の領域を残して、更に微細な凹面加工面を形成し、該一部の微細な凹部加工を施していない面に下部電極を形成した後、片面に電極を施した可撓性シートを上接してなる構造を有することを特徴とする静電容量型超音波振動子。 - 基板の一方の面に、球面又は球面に近い非球面を形成する第1のステップと、
前記球面又は球面に近い非球面に、一部の領域を残して、更に微細な凹面加工面を形成する第2のステップと、
前記第2のステップの後、前記一部の微細な凹部加工を施していない面に下部電極を形成する第3のステップと、
前記第3のステップの後、下部電極の上面に上部電極を施した振動可能な可撓性シートを接合した第4のステップと、
により製造される静電容量型超音波振動子の製造方法。
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