JP6606866B2 - 圧電デバイスおよびプローブ並びに電子機器および超音波画像装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置(超音波画像装置)11の構成を概略的に示す。超音波診断装置11は装置端末(処理部)12と超音波プローブ(プローブ)13とを備える。装置端末12と超音波プローブ13とはケーブル14で相互に接続される。装置端末12と超音波プローブ13とはケーブル14を通じて電気信号をやりとりする。装置端末12にはディスプレイパネル(表示装置)15が組み込まれる。ディスプレイパネル15の画面は装置端末12の表面で露出する。装置端末12では、超音波プローブ13で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル15の画面に表示される。
図2に示されるように、超音波デバイスユニット17は配線基板WBを備える。超音波デバイスユニット17は配線基板WBに搭載される。こうした搭載にあたって配線基板WBの表面には超音波デバイスユニット17を受け入れる窪みが形成されてもよい。窪みは配線基板WBの平面から窪めばよい。超音波デバイスユニット17は例えば樹脂材で配線基板WBに固定されることができる。
図3は送信アレイTRの領域に関し超音波デバイスユニット17の平面図を概略的に示す。超音波デバイスユニット17は基体21を備える。送信アレイTRは基体21の表面に形成される。第2圧電デバイス23の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の第2圧電デバイス23群は奇数列の第2圧電デバイス23群に対して行ピッチの2分の1でずらされればよい。奇数列および偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて1つ少なくてもよい。
図5は受信アレイRRの領域に関し超音波デバイスユニット17の拡大部分平面図を概略的に示す。受信アレイRRは基体21の表面に形成される。第1圧電デバイス57の配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。第1実施形態に係る第1圧電デバイス57は振動膜(弾性膜)58を備える。図5では振動膜58の膜面に直交する視点からの平面視で振動膜58の輪郭が点線で描かれる。振動膜58は前述の振動膜24と同様に基板44表面の被覆膜45から形成される。
配向制御層75が絶縁体でなければならない理由を、シミュレーションを用いて以下に示す。シミュレーションは、圧電効果を取り入れた有限要素法(FEM)を用いて行われた。振動膜58および圧電体63は上方からみて正方形である。振動膜58からなるダイアフラムの一辺の長さは40μm、圧電体63の一辺の長さは32μmである。また振動膜58は下方から順にSiO2(1000nm)、ZrO2(400nm)、BFT(20nm)、PZT(1350nm)である。BFTは本発明の配向制御層75をなすBiFeTiO3の略称である。また第1電極61および第2電極62の膜厚は50nmである。第1電極61および第2電極62のギャップ64の中心を通り、各電極61、62に平行な線を基準線66とする。シミュレーションで用いるPZTの圧電テンソルおよびスティッフネス・テンソルはPZT−5Hのデータセットを採用した。そのときのテンソルの主軸は、基準線66に直交する方向(初期化電界がかかる方向と同じ)に設定した。SiO2、ZrO2、BFTのヤング率は、それぞれ75GPa、190GPa、200GPaである。また第1電極61および第2電極62のヤング率は200GPaである。振動膜58に上方から1気圧を印加し、そのときに第1電極61と第2電極62の間に発生する電位Vを調べる。電位Vを計算するために、第1電極61と第2電極62とはオープンの条件とした。第1電極61と第2電極62の間幅W1は5[μm]に設定された。
固体の第一原理電子状態計算により、PZTからなる圧電体63が(001)配向ではなく(100)配向のときに圧電性が大きくなることを示す。計算は局所密度近似(Local Density Approximation)の範囲での密度汎関数法(Density Functional Theory)に基づく。圧電定数は線形応答法(Linear Response Theory)により求めた。エネルギー・カットオフは500eV、k空間のメッシュは3×3×3とした。計算の対象とする結晶構造はABO3ペロブスカイト型構造を有するPb(Zr0.5Ti0.5)O3である。ABO3型構造を2×2×2=8セル用意してスーパーセルとし周期的境界条件を用いた。以下の説明では面に垂直な方向をc軸、面内で互いに直交する方向をa軸、b軸とする。計算の結果、(001)配向の場合は、結晶格子がc軸方向に伸びる。c軸方向への伸び率はc/a=1.03程度である。同時に各原子の中心対称位置からの変位は<001>方向が主たる変位方向になる。その一方、(100)配向の場合は、結晶格子はa=b=cとなる。このとき各原子の中心対称位置からの変位は<111>方向が主たる変位方向になる。図9は、計算で求めた配向方向と圧電定数(e定数)との関係を示す。図9から、PZTは(001)配向ではなく(100)配向のときに大きな圧電定数を与えて有利であることがわかる。
次に超音波診断装置11の動作を簡単に説明する。送信アレイTRでは振動子25にパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子35、37および上電極端子34、36を通じて列ごとに第2圧電デバイス23に供給される。個々の第2圧電デバイス23では下電極27および上電極26の間で圧電体28に電界が作用する。圧電体28は超音波の周波数で振動する。圧電体28の振動は振動膜24に伝わる。こうして振動膜24は超音波振動する。その結果、被検体(例えば人体の内部)に向けて所望の超音波ビームは発せられる。
図10は第2実施形態に係る第1圧電デバイス57aの構成を示す。圧電体63の第2面63bに第1電極61および第2電極62の間で溝76が形成される。溝76は少なくとも基準線66に沿って平面視でギャップ64を貫通する。ここでは、溝76はギャップ64で圧電体63の第2面63bを2分割するだけでなく、圧電体63の縁から縁まで完全に一面を横切って圧電体63の第2面63bを二分割する。
次に、第1圧電デバイス57aの製造方法を簡単に説明する。図9に示されるように、基板78が用意される。基板78は例えばシリコンから形成される。基板78の表面には酸化シリコン層79および酸化ジルコニウム層81が形成される。酸化シリコン層79の形成にあたって例えば基板78の表面に熱処理が施されればよい。基板78のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化ジルコニウム層81の形成にあたってジルコニウム膜が均一な膜厚で形成される。ジルコニウム膜に酸化処理が施される。こうして基板44および被覆膜45は得られる。
配向制御層75を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例としては、まず、Bi、Fe、Tiを含有する金属錯体を含むMOD溶液やゾルからなる配向制御層形成用組成物(配向制御層の前駆体溶液)をスピンコート法などを用いて、塗布して配向制御層前駆体層を形成する(配向制御層前駆体溶液塗布工程)。塗布する前駆体溶液は、焼成によりAサイトがBiを含みBサイトがFeおよびTiを含むペロブスカイト型構造を有する複合酸化物を形成しうる金属錯体を混合し、該混合物を有機溶媒に溶解または分散させたものである。Biや、Fe、Ti等をそれぞれ含む金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。Biを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸ビスマス、酢酸ビスマスなどが挙げられる。Feを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸鉄、酢酸鉄、トリス(アセチルアセトナート)鉄などが挙げられる。Tiを含む金属錯体としては、例えば2−エチルヘキサン酸チタン、酢酸チタンなどが挙げられる。また、配向制御層の前駆体溶液の溶媒としては、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸などが挙げられる。Bi、Fe、Tiの組成比はBi:Fe:Ti=100:50:50であることが好ましい。
例えば、まず、配向制御層75上に、圧電体63となる圧電材料の構成金属を含有する有機金属錯体を含むゾルやMOD溶液(前駆体溶液)を、スピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜を形成する(塗布工程)。塗布する前駆体溶液は、例えば、圧電体63となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含む有機金属錯体を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。圧電材料の構成金属を含む有機金属錯体としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。具体的には、例えば、以下のものが挙げられる。鉛(Pb)を含む有機金属錯体としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム(Zr)を含む有機金属錯体としては、例えばジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。チタニウム(Ti)を含む有機金属錯体としては、例えばチタニウムアルコキシド、チタニウムイソプロポキシド等が挙げられる。Pb、Zr、Tiの組成比はPb:Zr:Ti=120:52:48が好ましい。
受信感度の測定手順を以下に示す。前記プロセスで得られた受信素子を水で満たした水槽中に設置し、30cm離れた位置に設置した大口径のハイドロフォンから超音波を発生させる。このとき前記受信素子の第1電極61と第2電極62との間に発生した電圧を電圧増幅アンプで読み取る。受信感度の指標としては1Pa当たりのPeak to Peakの出力電圧として表記する。大口径ハイドロフォンが発生する超音波は、3.5MHzを基本波とし、1.5波のパルス波を発生させる。受信測定に先だって、圧電体63の分極を初期化するため、前記受信素子の第1電極61と第2電極62との間に電圧100Vを加える。
Claims (14)
- 絶縁性の表面領域を有し、前記表面領域でアモルファス構造またはランダム配向を有する弾性膜と、
前記弾性膜上に設けられ、前記弾性膜に接する第1面および当該第1面とは反対側の第2面を有し、平面視で前記表面領域に対応する配向領域で(100)優先配向する圧電体と、
前記圧電体の前記第2面に設けられた第1電極と、
前記圧電体の前記第2面に設けられ、前記平面視で前記配向領域に対応して前記第1電極との間にギャップを形成する第2電極と、を備え、
前記圧電体は、前記第2面に溝を有し、
前記溝は、前記平面視で前記第1電極と前記第2電極との間に設けられていることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項1に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体はペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物で形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項2に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体の前記第1面は、ペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成される配向制御層で形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項3に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層がAサイトにビスマスを含み、Bサイトに鉄およびチタンを含むペロブスカイト型構造の遷移金属酸化物から形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項3または4に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層の抵抗値が106Ωcm以上であることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項3〜5のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層が(100)優先配向していることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項3〜6のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記圧電体は、前記配向制御層に積層されるPb(ZrTi)O3層を含むことを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項7に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層にはPbが含まれていることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項8に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層は連続層であることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項8に記載の圧電デバイスにおいて、前記配向制御層は不連続層であることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧電デバイスにおいて、前記溝は、前記弾性膜の重心を通る基準線に沿って設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスを支持する筐体とを備えることを特徴とするプローブ。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理する処理回路とを備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧電デバイスと、前記圧電デバイスに接続されて、前記圧電デバイスの出力を処理し、画像を生成する処理回路と、前記画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする超音波画像装置。
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