(57)【要約】【課題】周波数帯域が広く、送受信感度の高い静電容量型トランスデューサを提供する。【解決手段】静電容量型トランスデューサは、第一の電極と間隙を挟んで第一の電極に対向する第二の電極を含む振動膜と振動膜を支持する支持部１０とで構成されるセルと、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段１１と、を有する。セルとして、第一のばね定数を有する振動膜８を含む第一のセル１２と、第一のばね定数より低い第二のばね定数を有する振動膜１６を含む第二のセル１９と、を有する。第一のセル１２と第二のセル１９の少なくとも一方に、少なくとも一部が帯電（２０）した絶縁部１４が配置されている。【選択図】図１
2014017567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極と、間隙を挟んで前記第一の電極と対向する第二の電極を含む振動膜と、前記間隙が形成されるように前記振動膜を支持する振動膜支持部と、で構成されるセルと、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、
を有する静電容量型トランスデューサであって、
前記セルとして、第一のばね定数を有する前記振動膜を含む第一のセルと、前記第一のばね定数より低い第二のばね定数を有する前記振動膜を含む第二のセルと、を有し、
前記第一のセルと前記第二のセルの少なくとも一方に、少なくとも一部が帯電した絶縁部が配置されていることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
【請求項２】
前記電圧印加手段により前記第一のセル及び前記第二のセルの前記第一の電極と前記第二の電極との間に共通の電圧を印加することで、前記第一の電極と前記第二の電極との間の電位差が異なる状態で前記第一のセルと前記第二のセルをそれぞれ駆動することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
【請求項３】
請求項１から４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
光を発生する光源と、
前記静電容量型トランスデューサから出力される信号を処理する信号処理部と、
を有し、
該光源から発せられて被検体にあてられた前記光によって生じる光音響波を前記静電容量型トランスデューサで受信し、電気信号に変換された信号を前記信号処理部で処理することで被検体の情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
【請求項４】
第一の電極と、間隙を挟んで前記第一の電極と対向する第二の電極を含む振動膜と、前記間隙が形成されるように前記振動膜を支持する振動膜支持部と、で構成されるセルとして、第一のばね定数を有する前記振動膜を含む第一のセルと前記第一のばね定数より低い第二のばね定数を有する前記振動膜を含む第二のセルとを有する静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
前記第一のセルと前記第二のセルの少なくとも一方に含まれる絶縁部の少なくとも一部に対して帯電処理を行うことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。
【請求項５】
前記帯電処理は、コロナ放電またはセルのプルインにより行うことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波変換素子などとして用いられる静電容量型トランスデューサ、その製造法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いた静電容量型トランスデューサは、圧電素子の代替品として研究されている。このような静電容量型トランスデューサによると、振動膜の振動を用いて超音波、音波、光音響波などの音響波（以下、超音波で代表することもある）を送信、受信することが出来る。特に、液中において優れた広帯域特性（広い周波数領域で比較的高い電気機械変換係数を持つ特性）を容易に得ることが出来る。
【０００３】
上記技術として、ばね定数が高い振動膜を有するセルとばね定数が低い振動膜を有するセルを用いて、広帯域特性を実現する静電容量型トランスデューサが提案されている（特許文献１参照）。また、ばね定数が高い複数のセルから構成されるセルグループとばね定数が低い複数のセルから構成されるセルグループを有することにより、広帯域特性を実現する静電容量型トランスデューサも提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５８７０３５１号
【特許文献２】米国特許公開２００７００５９８５８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の如き静電容量型トランスデューサにおいて、共通電極に対して共通電圧を印加して送信、受信駆動を行うことが出来る。しかし、その場合、ばね定数が高い振動膜を有するセルとばね定数が低い振動膜を有するセルとの複数種のセルで、受信時での振動膜の振動を電気信号に変換する電気機械変換係数、或いは送信時での電気信号を振動膜の振動に変換する電気機械変換係数が異なることがある。従って、広帯域特性を実現することが出来る一方、複数種のセルの電気機械変換係数が異なって、送信感度或いは受信感度が低下してしまうことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の静電容量型トランスデューサは、間隙を挟んで第一の電極と対向する第二の電極を含む振動膜と該間隙が形成されるように振動膜を支持する振動膜支持部とを含むセルと、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、を有する。そして、セルとして、第一のばね定数を有する振動膜を含む第一のセルと、第一のばね定数より低い第二のばね定数を有する振動膜を含む第二のセルとを有し、第一のセルと第二のセルの少なくとも一方に、少なくとも一部が帯電した絶縁部が配置されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の静電容量型トランスデューサでは、ばね定数がそれぞれ異なる振動膜を有する複数種のセルを有しているため、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来る。更に、第一のセルのプルイン電圧と第二のセルのプルイン電圧との差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来る。または、第一のセルのプルイン電圧に対する印加電圧の比率と、第二のセルのプルイン電圧に対する印加電圧の比率との差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来る。これにより、各セルの送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。従って、本発明の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。なお、本明細書において、プルイン電圧とは、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加した場合に、振動膜の復元力より静電引力のほうが大きくなる電圧のことであり、プルイン電圧以上の電圧を印加すると、振動膜がキャビティ下面に接触する。プルイン電圧は、振動膜のばね定数が高いほど、第一の電極と第二の電極との距離が長いほど高くなる。よって、振動膜のばね定数が高いセルのプルイン電圧は、振動膜のばね定数が低いセルのプルイン電圧より高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１の静電容量型トランスデューサを説明する図。
【図２】本発明の実施例２の静電容量型トランスデューサを説明する図。
【図３】本発明の実施例３の静電容量型トランスデューサを説明する図。
【図４】本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法例を説明する断面図。
【図５】本発明の静電容量型トランスデューサの作製でのコロナ放電処理の説明図。
【図６】本発明の静電容量型トランスデューサの動作を説明する図。
【図７】本発明の実施例４の静電容量型トランスデューサを説明する図。
【図８−１】本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法例を説明する断面図。
【図８−２】本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法例を説明する断面図。
【図９】本発明の静電容量型トランスデューサを用いる被検体情報取得装置例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の静電容量型トランスデューサの特徴は、ばね定数がそれぞれ異なる振動膜を有する複数種のセルを有し、複数種のセルの少なくとも一種に、少なくとも一部が帯電した絶縁部を配置することである。こうした構成により、電圧印加手段により共通の電圧を印加している状態で、ばね定数が大きい第一のセルの振動膜に加わる静電引力を、ばね定数が小さい第二のセルの振動膜に加わる静電引力より大きくすることができる。それにより、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。
【００１０】
上記ばね定数が異なる状態のままの複数種のセルのプルイン電圧は異なるので、このままの状態の複数種のセルの共通電極に対して共通電圧を印加すると、第一のセルの電気機械変換係数は、第二のセルの電気機械変換係数より低くなり、送信感度或いは受信感度が低下してしまう。受信時の振動膜の振動を電気信号に変換する電気機械変換係数、或いは送信時に電気信号を振動膜の振動に変換する電気機械変換係数は、プルイン電圧に対する印加電圧の比率が高いほど高い。従って、本発明では、上記プルイン電圧の差の分程度の電位差を、帯電絶縁部を設けることで少なくとも一種のセルに与えて、複数種のセルが同じ程度の印加電圧でプルインするようにする。これにより、例えば、補償後のプルイン電圧に対する印加電圧の比率を、各セルでほぼ同じにしたり、差を少なくしたりすることが出来る。また、第一のセルのプルイン電圧と第二のセルのプルイン電圧との差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来る。こうして、各セルの送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。従って、本発明の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。
【００１１】
具体的な構成例として、ばね定数が大きい第１のセルの振動膜の厚さを、ばね定数が小さい第２のセルの振動膜の厚さより厚くし、かつ、第１のセルの振動膜の面積を、第２のセルの振動膜の面積とほぼ同じにすることができる。この場合、各セルの放射インピーダンスをほぼ同じにすることが出来る。こうした例は後述の図３に示されている。なお、本明細書において、放射インピーダンスとは、振動膜の振動速度と振動膜から外部（空気や液体媒質など）に作用する力（圧力）の比率のことであり、セル形状や振動膜形状に依存する。また、ばね定数が大きい第１のセルの振動膜の面積を、ばね定数が小さい第２のセルの振動膜の面積より小さくし、かつ、第１のセルの振動膜の厚さを、第２のセルの振動膜の厚さとほぼ同じにすることができる。この場合、作製を容易にすることが出来る。こうした例は後述の図１や図２や図７に示されている。
【００１２】
他方、第１のセルの電極間に電圧を印加するための第１の電圧印加手段と、第２のセルの電極間に電圧を印加するための第２の電圧印加手段を設けることも出来る。この場合、たとえ第１のセルのプルイン電圧と第２のセルのプルイン電圧とが充分に調整されず多少異なっていても、複数種のセルにそれぞれ印加する電圧の大きさを適宜調整することで送信感度或いは受信感度を向上させることが出来る。
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の静電容量型トランスデューサの一実施形態の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本実施形態は、第一のセル１２と第二のセル１９をそれぞれ複数有する静電容量型トランスデューサ１を複数有している。図１では、２つの静電容量型トランスデューサ１のみを記載しているが、トランスデューサ数は幾つでも構わない。また、静電容量型トランスデューサ１は、２２個の第一のセル１２と８個の第二のセル１９から構成されているが、それぞれの個数は幾つであっても構わない。また、セルの配列はどのような配列でも構わない。
【００１４】
第一のセル１２は、基板２、基板２上に形成される絶縁膜３、絶縁膜３上に形成される第一の電極４、第一の電極４上の絶縁膜５を有する。さらに、第一の電極４と対向する第二の電極６とメンブレン７とを含む振動膜８と、振動膜８を支持する振動膜支持部１０、キャビティ（間隙）９とを有している。基板２がガラス基板などの絶縁性基板の場合、絶縁膜３はなくてもよい。第二のセル１９は、第一のセル１２とほぼ同じ構成である。第二のセル１９では、振動膜１６の第二のばね定数が第一のセル１２の振動膜８の第一のばね定数より低い構成となっている。図１（ｂ）では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜１６の直径２２を振動膜８の直径２１より大きくすることにより、第二のばね定数を小さくしている。ここでは振動膜の形状は円形であるが、正方形、長方形等の形状でも構わない。
【００１５】
また、第一のセル１２及び第二のセル１６の第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１１を有している。本実施形態では、振動膜８、１６のメンブレン７、１４は絶縁膜である。特に、窒化シリコン膜は、低い引張り応力、例えば、３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することが出来るので、窒化シリコン膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止することができ望ましい。ただし、振動膜８、１６のメンブレン７、１４は絶縁膜でなくとも構わない。例えば、１Ωｃｍ以下の低抵抗シリコン単結晶をメンブレン７、１４として用いることも出来る。その場合、メンブレンを第二の電極として用いることも出来る。
【００１６】
上記構成のままで、第一の電極４、１３或いは第二の電極６、１４に共通の電圧を印加した場合、受信時の振動膜の振動を電気信号に変換する電気機械変換係数、或いは送信時に電気信号を振動膜の振動に変換する電気機械変換係数は、第一のセル１２のほうが第二のセル１６より低い。なぜなら、第二のセルの振動膜１６のばね定数が第一のセル１２のばね定数より低い構成となっており、振動膜のばね定数が高いセルのプルイン電圧は、振動膜のばね定数が低いセルのプルイン電圧より高いためである。そこで、本構成では、電圧を印加しない状態で、第一のセルの振動膜にかかる静電引力を、第二のセルの振動膜にかかる静電引力と異なる構成としている。この様にした構成で、電圧印加手段１１により共通電極に共通電圧を印加した場合、第一のセルと第二のセルにおいて異なる電位差が生じ、第一のセルの振動膜にかかる静電引力が、第二のセルの振動膜にかかる静電引力より大きくなる。この電位差を、上記ばね定数の違いによるプルイン電圧の差の分を打ち消す値にしておけば、両方のセルがほぼ同じ印加電圧でプルインするようになる。また、第一のセルと第二のセルが有するプルイン電圧に対する印加電圧の比率を、ほぼ同じにすることも出来る。この為には、上記ばね定数の違いによるプルイン電圧差が存在する構成における第一のセルのプルイン電圧に対する印加電圧の比率と第二のセルのプルイン電圧に対する印加電圧の比率との差の分の電位差を、例えば一方のセルに与えておけばよい。
【００１７】
こうした構成にする方法は、どのような方法であっても構わない。上記ばね定数の違いにより、例えば、第一のセルと第二のセルのプルイン電圧の差が２０Ｖあったとする。この時、第二のセルのメンブレン１４を２０Ｖ分帯電させる（図１（ｂ）参照）。この状態で、第一の電極４に第一のセルがプルインする正符号の電圧を印加すると、第一のセルでは第一の電極４に印加した電圧分だけ電位差が生じる。一方、第二のセルでは、第一の電極１３に印加した電圧と上記帯電による電位２０Ｖの差の分だけ電位差が生じる。これにより、共通電極である第一の電極４、１３に印加した共通電圧で、ばね定数の異なるセル１２、１９を同時にプルインさせることが出来る。また、もう一方の共通電極である第二の電極６、１５に共通電圧を印加してもよい。第二の電極６、１５には、第一のセル１２がプルインする負の符号の電圧を印加すればよい。さらに、第二のセル１９のメンブレン１４の帯電は、−２０Ｖでもよい。その場合には、共通電極である第一の電極４、１３に印加する共通電圧の符号を、負にして印加すればよい。また、共通電極である第二の電極６、１５に共通電圧を印加する場合には、正の符号にして印加すればよい。第一のセルのプルイン電圧と上記帯電による電圧との差が、第二のセルのプルイン電圧となるように、共通電極に共通電圧を印加すればよい。
【００１８】
さらに、第一のセル１２を帯電させてもよい。その場合、例えば、第一のセルのメンブレン７を−２０Ｖ分帯電させる。この状態で、第一の電極４、１３に第二のセル１９がプルインする正の電圧を印加すると、第二のセルでは第一の電極４、１３に印加した電圧分だけ電位差が生じる。一方、第一のセル１２では、第一の電極４に印加した電圧と上記帯電による電位の差の分だけ電位差が生じる。これにより、共通電極である第一の電極４、１３に印加した共通電圧で、ばね定数の異なるセル１２、１９を同時にプルインさせることが出来る。また、もう一方の共通電極である第二の電極６、１５に共通電圧を印加してもよい。第二の電極６、１５には、第二のセル１９がプルインする負の符号の電圧を印加すればよい。さらに、第一のセル１２のメンブレン７の帯電は、２０Ｖでもよい。その場合には、共通電極である第一の電極４、１３に印加する共通電圧の符号を、負の符号にして印加すればよい。また、共通電極である第二の電極６、１５に共通電圧を印加する場合には、正の符号にして印加すればよい。第二のセルのプルイン電圧と上記帯電による電圧との差が、第一のセルのプルイン電圧となるように、共通電極に共通電圧を印加すればよい。
【００１９】
本構成の帯電個所は、メンブレン７、１４だけではなく、絶縁膜５、１３であってもよい。つまり、第一のセルと第二のセルの少なくとも一方に、少なくとも一部が帯電した絶縁部が配置されているようにすればよい。上記構成では、上記ばね定数の違いによる第一のセルと第二のセルのプルイン電圧の差の分だけ、どちらか一方のセルの一部を帯電させる。次に、帯電させていないセルのプルイン電圧と上記帯電による電圧との電位差が、帯電させているセルのプルイン電圧となるように、共通電極に共通電圧を印加すればよい。本構成により、第一のセルのプルイン電圧と第二のセルのプルイン電圧との差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来るので、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。また上記では、プルイン電圧の差について述べたが、プルイン電圧に対する印加電圧の比率の差の場合でも共通のことが言える。以上より、本実施形態の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。
【００２０】
さらに、第一のセル１２の振動膜の面積は、第二のセル１９の振動膜の面積より小さく、かつ、第一のセルの振動膜厚さは、第二のセルの振動膜厚さと同じとすることも出来る。本構成にすることによって、振動膜のばね定数が高いセルと振動膜のばね定数が低いセルとを同じ作製プロセスによって作製出来る。従って、低いコストで静電容量型トランスデューサを作製することが出来る。また、本構成にすることによって、第一のセルの振動膜と第二のセルの振動膜とを同じ作製工程によって作製することが出来る。第一のセルの振動膜厚さと、第二のセルの振動膜厚さを同じでなく、どちらかの振動膜をエッチングしたり、或いは異なる工程で成膜したりした場合、第一のセルの振動膜のばね定数と第二のセルの振動膜のばね定数との比がばらつきやすい。この様な場合、静電容量型トランスデューサの送信或いは受信感度や周波数帯域の帯域が所望のものとならないことがある。従って、上記構成により、送信感度或いは受信感度や周波数帯域のばらつきを小さく出来る。
【００２１】
さらに、図３（ｂ）に示すように、第一のセルの振動膜厚さは、第二のセルの振動膜厚さより厚く、かつ、第一のセルの振動膜面積は、第二のセルの振動膜面積と同じである構成とすることも出来る。本構成にすることによって、図３（ａ）にように、上面から見た各セルの形状が同じにでき、全てのセルの放射インピーダンスを揃えることが出来る。従って、各セルの放射インピーダンスが同じであるため、各セルの振動膜は同じ態様の振動をするので、電気機械変換係数を低下させるような不要な振動を防止することが出来る。
【００２２】
上記構成は、ばね定数の異なるセルが３種類以上存在する場合にも適用出来る。例えば図２（ｂ）のように、ばね定数の異なるセル毎に、絶縁層の一部を異なる態様で帯電させたり或いは非帯電にしたりすればよい。基準となるセルを決め、ばね定数の違いによるプルルイン電圧の差の分だけ、各セルの一部を帯電させたり或いは非帯電にしたりする。帯電させる部分は、各セルでメンブレンを帯電させてもよいし、セル毎に絶縁膜５、２３を帯電させてもよい。基準となるセルのプルイン電圧と上記帯電による電圧との電位差が、帯電させているセルのプルイン電圧となるように、共通電極に共通電圧を印加すればよい。
【００２３】
上記構成では、さらに、ばね定数の異なるセル毎に、異なる態様でセルの一部を帯電させたり非帯電にしたりすることにより、共通電極に共通電圧を印加せずに別個の電圧で駆動することも可能である。以上の構成により、ばね定数の異なる各セルのプルイン電圧の差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来る。また、ばね定数の異なる各セルのプルイン電圧に対する印加電圧の比率の差を少なくしたり、或いは同じにしたりすることが出来るので、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。
【００２４】
上記構成において、セルを帯電させる方法はどのような方法であっても構わない。例えば、静電容量型トランスデューサの製造途中で帯電させることも出来るし、製造後や使用前、更には使用中にセルを帯電させることも出来る。静電容量型トランスデューサの製造途中で帯電させる場合には、セルの帯電させたい箇所（メンブレンや絶縁膜）にコロナ放電処理を施し、帯電させればよい。また、製造後や使用中に帯電させる場合には、帯電させたいセルをプルインさせて、メンブレンや絶縁膜を帯電させればよい。
【００２５】
上記構成において、帯電箇所は、帯電しやすい材料で構成されていれば、どのような材料の部分であっても構わない。例えば、シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム・ストロンチウム、五酸化タンタル、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタンなどが挙げられる。また、振動膜等の１種類の膜を単層にするだけでなく、複数種類の膜を複数層組み合わせて構成したりしてもよい。例えば、図３に示すように、セルのメンブレンを二層構造とし、窒化シリコン膜とシリコン酸化膜などで構成したりしてもよい。これらの材質、組成比などにより帯電量を調整することが出来る。
【００２６】
ここで、図４を用いて、本発明の作製方法の一実施形態を説明する。図４は、静電容量型トランスデューサの断面図であり、図１とほぼ同様の構成である。図４は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面相当図である。まず、図４（ａ）に示すように、基板７１上に絶縁膜７２を形成する。基板７１はシリコン基板であり、絶縁膜７２は第一の電極との絶縁を形成するためのものである。基板７１がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜７２は形成しなくともよい。また、基板７１は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さが転写されていって、表面粗さにより第一の電極と第二の電極間の距離が各セル間でばらついてしまう。このばらつきは、電気機械変換係数のばらつきとなるため、感度や帯域のばらつきとなる。従って、基板７１は、表面粗さの小さな基板が望ましい。
【００２７】
さらに、第一の電極７３を形成する。第一の電極７３は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミニウム等である。基板と同様に、第一の電極の表面粗さが大きい場合、表面粗さにより第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、複数のセルを有する各エレメント間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。
【００２８】
次に、絶縁膜７４、７５を形成する。絶縁膜７４、７５は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極間の電気的短絡、或いは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、メンブレンが絶縁体であるため、絶縁膜７４、７５を形成しなくともよい。こうした絶縁膜は、さらに、本工程の後工程で実施する犠牲層除去時に第一の電極がエッチングされることを防止するために形成する。犠牲層除去時のエッチング液やエッチングガスにより、第一の電極がエッチングされない場合は、絶縁膜７４、７５を形成しなくともよい。基板と同様に、絶縁膜７４、７５の表面粗さが大きい場合、表面粗さにより第一の電極と第二の電極間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜等である。
【００２９】
次に、図４（ｂ）に示すように、犠牲層７６、７７を形成する。犠牲層７６の幅は、犠牲層７７の幅より小さくなるように形成している。本構成にすることによって、第一のセルのキャビティの直径を第二のセルのキャビティの直径より小さくすることが出来る。犠牲層７６、７７は、表面粗さが小さい材料が望ましい。基板と同様に、犠牲層の表面粗さが大きい場合、表面粗さにより第一の電極と第二の電極間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングの時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチング液やエッチングガスに対して、絶縁膜やメンブレンがほぼエッチングされないような犠牲層材料が求められる。犠牲層を除去するエッチング液やエッチングガスに対して、絶縁膜やメンブレンがエッチングされる場合、振動膜の厚さがばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離のばらつきが発生することがある。振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきは、各セル間の感度や帯域のばらつきとなる。絶縁膜やメンブレンが窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜の場合、表面粗さが小さく、絶縁膜やメンブレンがエッチングされにくいエッチング液或いはエッチングガスを用いることが出来る犠牲層材料が望ましい。例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等である。特に、クロムのエッチング液は、窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜をほぼエッチングしないので、絶縁膜やメンブレンが窒化シリコン膜或いはシリコン酸化膜であるのが望ましい。
【００３０】
次に、図４（ｃ）に示すように、メンブレン７８、７９を形成する。メンブレン７８、７９は、低い引張り応力が望ましい。例えば、３００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、３００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることが出来る。メンブレンが圧縮応力を有する場合、メンブレンがスティッキング或いは座屈を引き起こし、大きく変形することがある。また、大きな引張り応力の場合、第一のメンブレンが破壊されることがある。従って、メンブレン７８、７９は、低い引張り応力が望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力に出来る窒化シリコン膜が望ましい。
【００３１】
さらに、図示しないエッチングホールを形成し、エッチングホールを介して、犠牲層７６、７７を除去して、エッチングホールを封止する。これにより、間隙７６、７７が形成される。例えば、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜で封止することが出来る。犠牲層除去工程或いは封止工程は、第二の電極の形成後に行うことも出来る。
【００３２】
次に、図４（ｄ）に示すように、第二の電極８１、８２を形成する。第二の電極８１、８２は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウムなどである。犠牲層除去工程或いは封止工程を第二の電極形成後に行う場合、第二の電極は、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性や耐熱性を有する材料が望ましい。例えば、チタンなどである。図４（ｄ）では、第二の電極８１、８２は、電気的に分離されているが、電気的に繋がっていてもよい。これにより、振動膜支持部８０で支持された振動膜８３、８４が形成される。
【００３３】
次に、図４（ｅ）に示すように、第二のセル８６のメンブレン７９を帯電させる。図４（ｄ）の状態では、まだ第二のセルは帯電していない為、共通電極に共通電圧を印加した場合、２種類のセルを同じ電圧でプルインさせることが出来ない。また、２種類のセルについて、共通電圧で、各プルイン電圧に対する印加電圧の比率を同じ状態にして駆動することができない。従って、外部の電圧印加手段８７により、第二のセル８６がプルインする電圧を第一の電極と第二の電極間に印加すると、第二のセル８６よりも第一のセル８５のばね定数が高い為、第二のセルだけがプルインする。このことを利用して第二のセルのみをプルインさせる。第二のセルがプルインすると、絶縁膜に電荷が注入され、絶縁膜が帯電する。図４（ｅ）のセルの場合、メンブレン７９を形成する窒化シリコン膜に電荷８８が溜まる。帯電させる符号の方向は、のちに共通電極に共通電圧を印加した時に、第二のセル８６にかかる電界の強度が、第一のセル８５にかかる電界の強度と同等の強度となる符号方向に帯電させる。この帯電量は、プルインさせる電圧印加の時間などで制御することが出来る。
【００３４】
図４（ｅ）において、絶縁膜の種類や膜構成を変えて、絶縁膜７４などを帯電させることも出来る。また、図４（ａ）の後に、図５に示す工程を実施して、セルを帯電させることも出来る。図５では、絶縁膜７４をコロナ放電で帯電させている。例えば、ワイヤ状の電極９１を、帯電させたい部分の上部に配置する。電極９１は、高電圧を印加出来る接地（９３で示す）された電源９２と接続されている。第一の電極７３を接地（９４で示す）し、電極９１に数ｋＶの高電圧を印加して、帯電させたい箇所にコロナ放電をする。こうすると、電極９１からはマイナス電荷が放電されるため、シリコン酸化膜の表面側にはマイナス電荷９５が、第一の電極７３側の表面にはプラス電荷が帯電する。図５において、電源９２の電位の向きを逆にすれば、シリコン酸化膜の表面側をプラス電荷で帯電させることが出来る。帯電させたい箇所に電極９１を移動させ、コロナ放電を行うことで、所望の箇所に所望の電荷を帯電させることが出来る。帯電量は、コロナ放電のための印加電圧の大きさなどで制御することが出来る。
【００３５】
図６の様に、ばね定数の高い第一のセル８５を帯電させる場合、帯電させる符号方向は、のちに共通電極に共通電圧を印加した時に、第二のセルにかかる電界の強度が第一のセルにかかる電界の強度と同等となる方向に帯電させる。帯電した電荷８８を安定化させる為に、加熱処理を施してもよい。例えば、大気中で１５０℃、１時間程度の処理を行うと、帯電した電荷が安定する。
【００３６】
以上では、共通電極に共通電圧を印加した場合に、ばね定数の異なるセルのプルインが同時に生じるように帯電させた。また、ばね定数の異なるセルが有するプルイン電圧に対する印加電圧の比率を、各セルで同じにするように帯電させることも出来る。共通電極に共通電圧を印加した場合に各セルでプルイン電圧に対する印加電圧の比率が同じになるように、各セルを帯電させることで、各セルの電気機械変換係数を高くすることが出来る。
【００３７】
上記作製方法で静電容量型トランスデューサを作製することにより、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上させられる静電容量型トランスデューサを作製出来る。
【００３８】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の実施例１について図１を用いて説明する。本実施例の基本構造は上記実施形態と同じである。第一のセル１２は、３００μｍ厚さのシリコン基板２、シリコン基板２上の絶縁膜３、絶縁膜３上の第一の電極４、第一の電極４上の絶縁膜５を有する。さらに、第二の電極６とメンブレン７とを含む振動膜８と、振動膜８を支持する振動膜支持部１０、キャビティ（間隙）９を有している。キャビティ９の高さは１００ｎｍである。さらに、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１１を有している。
【００３９】
絶縁膜３は、熱酸化により形成した厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。絶縁膜５は、Ｐｒａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した１００ｎｍのシリコン酸化膜である。第一の電極４は厚さが５０ｎｍのチタンであり、第二の電極６は厚さが１００ｎｍのアルミニウムである。メンブレン７はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成し、厚みは１４００ｎｍである。
【００４０】
本実施例の静電容量型トランスデューサは、図示しない引き出し配線を用いることで、第二の電極６、１５から電気信号を引き出すことが出来る。静電容量型トランスデューサで超音波を受信する場合、直流電圧を第一の電極４、１３に印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極６、１５とメンブレン７、１４をそれぞれ有する振動膜８、１６が変形するため、第二の電極６、１５と第一の電極４、１３との間のキャビティ９、１７の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧として、超音波を受信することが出来る。また、第一の電極に直流電圧を印加し、交流電圧を第二の電極に印加し、静電気力によって、振動膜８、１６を振動させることが出来る。これによって、超音波を送信することが出来る。
【００４１】
第二のセル１９は、第一のセル１２とほぼ同じ構成である。第一のセル１２では、振動膜８の直径２１が３６μｍである一方、第二のセル１９では、振動膜１６の直径２２が４４μｍである。そのため、振動膜１６のばね定数がセル１２のばね定数より低い構成となっている。また、第二のセル１９のキャビティ１７の高さも１００ｎｍである。図１（ｂ）では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜１６の直径を振動膜８より大きくすることにより、ばね定数を小さくしている。第一のセルのばね定数が８２ｋＮ／ｍであり、第二のセルのばね定数が５５ｋＮ／ｍである。ここでのばね定数とは、振動膜にかかる荷重を、そのときの振動膜の平均変位で割った値のことである。ばね定数が高い振動膜を有する第一のセルと、ばね定数が低い振動膜を有する第二のセルとを有しているため、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来る。
【００４２】
また、本実施例では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜を形成する工程は、第一のセルと第二のセルとで同じにすることが出来る。従って、第一のセルの振動膜のばね定数と第二のセルの振動膜のばね定数との比率のばらつきを低減出来るため、送信感度或いは受信感度や周波数帯域のばらつきを小さく出来る。
【００４３】
また、本構成では、振動膜１６が振動膜８と同じ材料、厚みで構成されているとともに、絶縁膜５、２３の厚さもほぼ同じ１００ｎｍであるため、第一の電極と第二の電極との距離はほぼ同じになる。さらに、上述した様に、第二のセル１９の振動膜１６のばね定数が第一のセル１２の振動膜８のばね定数より低い構成となっている。振動膜の復元力より静電引力のほうが大きくなる電圧がプルイン電圧であるので、ばね定数の違いによる第一のセルのプルイン電圧は第二のセルのプルイン電圧より高くなる。ここでは、第一のセル１２のプルイン電圧は１５５Ｖであり、第二のセル１９のプルイン電圧は１００Ｖである。
【００４４】
本実施例では、共通電極に印加する共通電圧は１２５Ｖである。つまり、第一のセルの上記プルイン電圧の８０％の電圧である。このままの状態で共通電極に１２５Ｖを印加すると、第二のセルにも１２５Ｖの電位差が生じる為、第二のセルはプルインする。セルがプルインすると、振動膜が振動し難くなり、電気機械変換係数が大きく低下する。その為、セルに印加する電圧は、プルイン電圧よりも低く、なるべくプルイン電圧に近い値とすることが望ましい。本実施例では、第一のセルと第二のセルを、各セルのプルイン電圧の８０％で駆動出来るようにする。その場合、上記構成のままでは、第一のセルに生じさせる電位差は１２５Ｖ、第二のセルに生じさせる電位差は８０Ｖである。ここで第一のセルと第二のセルに生じさせる電位差には、４５Ｖの違いがあるため、第二のセルを４５Ｖ分帯電させる処理を施す。本実施例では、第二のセルのみをプルインさせて、第二のセルのメンブレン１４を４５Ｖ分帯電させる。外部の電圧印加手段１１から、共通電極である第二の電極６、１５に１５０Ｖの電圧を印加し、第二のセル１９のみをプルインさせる。この状態を１時間保持した後に、共通電圧を０Ｖに戻すと、第二のセルが有するメンブレン１４には、約４５Ｖ分のマイナス電荷が帯電する。
【００４５】
この状態で、共通電極である第一の電極４、１３に−１２５Ｖを印加すると、第一のセルでは１２５Ｖの電位差が生じ、第二のセルでは８０Ｖの電位差が生じる。これにより、ばね定数の異なるセルの共通電極に共通電圧を印加した場合でも、プルイン電圧に対して同じ印加電圧の比率で駆動することが出来る。プルイン電圧に対する印加電圧の比率に依存する電気機械変換係数は、第一のセルと第二のセルにおいて同じにすることが出来る。
【００４６】
本実施例でも、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。さらに、使用中に再度プルインをさせて帯電処理を行うなど、適宜繰り返し帯電を行いながら使用することが出来る。
【００４７】
（実施例２）
実施例２の静電容量型トランスデューサの構成を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施例の静電容量型トランスデューサの上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。実施例２の静電容量型トランスデューサ３１の構成は、実施例１とほぼ同様である。異なる点は、第一の電極３６の上の絶縁膜が、二層構成である点と、ばね定数の異なるセルを３種類有し、それぞれの帯電状態が異なる点である。ばね定数の高い順に、第一のセル３２、第二のセル３３、第三のセル５４と呼ぶ。
【００４８】
第一のセル３２の振動膜４９の直径は３２μｍ、第二のセル３３の振動膜５０の直径は４０μｍ、第三のセル５４の振動膜５１の直径は５０μｍである。振動膜４９、５０、５１の厚さは全て同じ１４００ｎｍである。キャビティ（間隙）３９、４０、４１の高さは全て同じ１００ｎｍである。絶縁膜３５、３７、５５は窒化シリコン膜であり、厚さは７０ｎｍである。絶縁膜３８は酸化シリコン膜であり、厚さは６０ｎｍである。絶縁膜３７、５３、５５は、上記実施形態において図４（ａ）で述べた方法と同様の方法により、窒化シリコン膜で形成出来る。絶縁膜３８も上記実施形態において図４（ａ）で述べた方法と同様の方法により、絶縁膜３５、３７、５５を作成した後に、酸化シリコン膜で形成出来る。
【００４９】
本構成にすることにより、第一のセルのばね定数は１０３ｋＮ／ｍ、第二のセルのばね定数は６６ｋＮ／ｍ、第三のセルのばね定数は４２ｋＮ／ｍとなる。また、このままの構成における各セルのプルイン電圧は、第一のセルは２００Ｖ、第二のセルは１２５Ｖ、第三のセルは７５Ｖとなる。本実施例における静電型トランスデューサの駆動電圧は、各セルのプルイン電圧に対して８０％の印加電圧とする。この場合、各セルの駆動電圧は、第一のセルは１６０Ｖであり、第二のセルは１００Ｖ、第三のセルは６０Ｖとなる。共通電極に印加する共通電圧を１００Ｖとすると、各セルの上記駆動電圧との差分は、第一のセルは６０Ｖ、第二のセルは０Ｖ、第三のセルは−４０Ｖとなる。この共通電圧との差分を、各セルにおいて帯電させる。
【００５０】
本実施例での帯電方法は、コロナ放電処理を施す事とする。まず、図４（ａ）と同様の方法で、基板３４上の絶縁膜５７に形成された第一の電極３６上に、絶縁膜３５、３７、５５を成膜する。そして、図５と同様にして、各セルのキャビティの内側となる部分の絶縁膜を帯電させる。第一のセルのキャビティ内側の部分の絶縁膜は、−６０Ｖに帯電させる。第三のセルのキャビティ内側の部分の絶縁膜は、４０Ｖに帯電させる。第一のセルと第三のセルの絶縁膜を帯電（５２、５３で示す）させた後、大気中で１５０℃、１時間程度加熱すると、帯電状態が安定化する。その後、二層目の絶縁膜３８を成膜する。成膜後の工程は、図４（ｂ）〜図４（ｄ）と同様の工程を経る事で、図２に記載の静電型トランスデューサを作成することが出来る。なお、図２において、４２、４３〜４５は、それぞれ、振動膜支持部、メンブレンである。
【００５１】
この状態で、電圧印加手段５６により、共通電極である第二の電極４６、４７、４８に１００Ｖを印加すると、第一のセルでは１６０Ｖの電位差が生じ、第二のセルでは１００Ｖの電位差が生じ、第三のセルでは６０Ｖの電位差が生じる。これにより、ばね定数の異なるセルの共通電極に共通電圧を印加した場合でも、プルイン電圧に対して同じ比率の印加電圧で駆動することが出来る。このプルイン電圧に対する印加電圧の比率に依存する電気機械変換係数は、第一のセルと第二のセルと第三のセルにおいて同じにすることが出来る。従って、本実施例の静電容量型トランスデューサでも、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。
【００５２】
（実施例３）
実施例３の静電容量型トランスデューサの構成を図３を用いて説明する。実施例３の静電容量型トランスデューサ６１の構成は、実施例１とほぼ同様であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本実施例では、振動膜のばね定数が高いセルの振動膜厚さは、振動膜のばね定数が低いセルの振動膜厚さより厚く、かつ、振動膜のばね定数が高いセルの振動膜面積は、振動膜のばね定数が低いセルの振動膜面積と同じである。
【００５３】
第一のセル６２の振動膜７７の直径及び第二のセル６３の振動膜７８の直径は、ともに３６μｍであり、振動膜厚さがそれぞれ１４００ｎｍと１２００ｎｍである。本構成にすることにより、第一のセルのばね定数が８２ｋＮ／ｍ、第二のセルのばね定数が５５ｋＮ／ｍとなる。キャビティ７０、７１の高さは１００ｎｍである。絶縁膜６８、６９は窒化シリコン膜であり、厚さは１７５ｎｍである。絶縁膜６８、６９は、上記実施形態において図４（ａ）で述べたのと同様の方法により、窒化シリコン膜で作成出来る。本実施例の静電容量型トランスデューサは、ばね定数が高い振動膜を有する第一のセル６２と、ばね定数が低い振動膜を有する第二のセル６３とを有しているため、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来る。
【００５４】
本構成では、第二のセル６３の振動膜７８のばね定数が第一のセル６２の振動膜７７のばね定数より低い構成となっている。振動膜の復元力より静電引力のほうが大きくなる電圧がプルイン電圧であるので、このままの構成における第一のセルのプルイン電圧は、第二のセルのプルイン電圧より高くなる。第一のセル６２のプルイン電圧は１５５Ｖであり、第二のセル６３のプルイン電圧は９０Ｖである。本実施例における静電型トランスデューサの駆動電圧を、各セルのプルイン電圧の８０％になるようにする場合を考える。この場合、このままの構成における各セルの駆動電圧は、第一のセルは１２５Ｖ、第二のセルは７２Ｖとなる。共通電極に印加する共通電圧を１２５Ｖとすると、各セルの駆動電圧との差分は、±５３Ｖとなる。この共通電圧との差分を、第二のセル６３を帯電させることで補償する。
【００５５】
本実施例での帯電方法についても、コロナ放電処理を施す事とする。まず、図４（ａ）と同様の方法で、基板６４上の絶縁膜６５に形成された第一の電極６６上に、絶縁膜６８、６９を成膜する。そして、図５と同様にして、第二のセルのキャビティ７１の内側となる部分の絶縁膜６９を、−５３Ｖ分帯電（６７で示す）させる。次に大気中で１５０℃、１時間程度加熱すると、帯電状態が安定化する。その後、図４（ｂ）〜図４（ｄ）の工程と同様の工程を経る。
【００５６】
本構成を作製するために第一のセル６２の第二の電極７４及び第二のセル６３の第二の電極７５を形成した後に、第一のセル６２の振動膜７７の厚さを厚くするために、第二の電極７４の下のメンブレンと同じ材料である窒化シリコンを成膜してメンブレン７２を形成する。その後、第二のセル６３の第二の電極７５上にも積層された窒化シリコンをエッチングにより除去する。その際、第二のセル６３の第二の電極７５がエッチングストップ層となるため、本構成のように、第一のセル６２の第二の電極７４と第一の電極６６の距離を、第二のセル６３の第二の電極７５と第一の電極６６の距離と容易に同じにすることが出来る。
【００５７】
この状態で、電圧印加手段７９により、図示しない個所で電気的に導通している共通電極である第二の電極７４、７５に１２５Ｖを印加すると、第一のセルでは１２５Ｖの電位差が生じ、第二のセルでは７２Ｖの電位差が生じる。これにより、ばね定数の異なるセルの共通電極に、共通電圧を印加した場合でも、プルイン電圧に対して、同じ印加電圧の比率で駆動することが出来る。こうして、プルイン電圧に対する印加電圧の比率に依存する電気機械変換係数は、第一のセルと第二のセルにおいて同じにすることが出来る。また、本実施例において、第二のセルの帯電量が変化した場合、共通電極である第一の電極６６に、１５０Ｖを印加して第二のセル６３のみをプルインさせて、第二のセルの絶縁膜６９をさらに帯電させることも出来る。なお、図３において、７３、７６は、それぞれ、第二のセル６３のメンブレン、振動膜支持部である。
【００５８】
以上より、本実施例の静電容量型トランスデューサでも、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。さらに、上記構成にすることによって、図３（ａ）にように、上面から見た各セル６２、６３の形状が同じであるため、全てのセルの上記放射インピーダンスを揃えることが出来る。また、各セルの放射インピーダンスが同じであるため、各セルの振動膜は同じ態様で振動をするので、電気機械変換係数を低下させる様な不要な振動を防止することが出来る。
【００５９】
（実施例４）
実施例４の静電容量型トランスデューサの構成を図７を用いて説明する。また、図８−１と図８−２を用いて、実施例４の静電容量型トランスデューサの作製方法を説明する。図７（ａ）は、本発明の静電容量型トランスデューサ１０１の上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本実施例のセル配置は、図１（ａ）と同等であるが、静電容量型トランスデューサの作製方法が異なる。
【００６０】
第一のセル１０２は、３００μｍ厚さのシリコン基板１１９、シリコン基板１１９上に形成された絶縁膜１１５、絶縁膜１１５上に形成された第二の絶縁膜１１６を有する。シリコン基板１１９は、後に第一の電極となる。さらに、第二の電極１３０とメンブレン１２９を含む振動膜１３１、振動膜１３１を支持する振動膜支持部１２０、キャビティ(間隙)１２４を有している。キャビティ１２４の高さは１００ｎｍである。さらに、第一の電極と第二の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段１３２を有している。
【００６１】
絶縁膜１１５は、熱酸化により形成した厚さ４０nｍのシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜１１６は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成した１０５ｎｍの窒化シリコン酸化膜である。振動膜支持部１２０は、熱酸化により形成した厚さ７００ｎｍのシリコン酸化膜である。第一の電極はシリコン基板１１９であり、第二の電極１２７は厚さが１００ｎｍのアルミニウムである。メンブレン１２９は、厚さ２０００ｎｍのシリコンである。本実施例のメンブレン１２９は、単結晶シリコン膜である。単結晶シリコン膜は、積層成膜した振動膜（例えば、窒化シリコン膜）と比較して、残留応力が殆どなく、厚みバラツキも小さい。また、振動膜１３１のバネ定数のバラツキを小さく出来るため、静電容量型トランスデューサのエレメント間、セル間の性能バラツキを小さく出来る。
【００６２】
本実施例の静電容量型トランスデューサは、図示しない引き出し配線を用いることで、第二の電極１３０から電気信号を引き出すことが出来る。静電容量型トランスデューサで超音波を受信する場合、直流電圧を第一の電極１１９に印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極１３０を有する振動膜１３１が変形するため、第二の電極１３０と第一の電極１１９との間のキャビティ１２４の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧として、超音波を受信することが出来る。また、第一の電極に直流電圧を印加し、交流電圧を第二の電極に印加し、静電気力によって、振動膜１３１を振動させることが出来る。これによって、超音波を送信することが出来る。
【００６３】
第二のセル１０３は、第一のセル１０２とほぼ同じ構成である。第一のセル１０２では、振動膜の直径が３６μｍである一方、第二のセルでは、第二の電極１２７とメンブレン１２６を含む振動膜１２８の直径が４４μｍであるため、振動膜のばね定数が第一のセル１０２のばね定数より低い構成となっている。また、第二のセル１０３のキャビティ１２５の高さは１００ｎｍである。図７（ｂ）に示す様に、振動膜１２８が振動膜１３１と同じ材料、厚みで構成されており、振動膜１２８の直径を振動膜１３１の直径より大きくすることにより、ばね定数を小さくしている。第一のセル１０２のばね定数が８２ｋＮ／ｍであり、第二のセル１０３のばね定数が５５ｋＮ／ｍである。ここでのばね定数も、振動膜にかかる荷重を、そのときの振動膜の平均変位で割った値である。
【００６４】
本実施例では、振動膜１３１、１２８が同じ材料、厚みで構成されており、振動膜を形成する工程は、第一のセルと第二のセルとで同じにすることが出来る。従って、第一のセルの振動膜のばね定数と第二のセルの振動膜のばね定数との比率のばらつきを低減出来るため、送信感度或いは受信感度や周波数帯域のばらつきを小さく出来る。また、第一のセルと第二のセルにおいて、絶縁膜１１５、１１７、第二の絶縁膜１１６、１１８の厚さもほぼ同じ１００ｎｍであるため、第一の電極と第二の電極との距離はほぼ同じになる。
【００６５】
さらに、第二のセル１０３の振動膜１２８のばね定数が第一のセル１０２の振動膜１３１のばね定数より低い構成となっている。振動膜の復元力より静電引力のほうが大きくなる電圧がプルイン電圧であるので、このままの状態では、第一のセルのプルイン電圧は、第二のセルのプルイン電圧より高くなる。第一のセル１０２のプルイン電圧は１５５Ｖであり、第二のセル１０３のプルイン電圧は１００Ｖである。
【００６６】
本実施例の静電型トランスデューサでは、共通電極に印加する共通電圧は１２５Ｖとする。つまり、第一のセルの上記プルイン電圧の８０％の電圧である。このままの状態で共通電極に１２５Ｖを印加すると、第二のセル１０３にも１２５Ｖの電位差が生じるため、第二のセルはプルインする。セルがプルインすると、振動膜が振動し難くなり、電気機械変換係数が大きく低下する。その為、セルに印加する電圧は、プルイン電圧よりも低く、なるべくプルイン電圧に近い値とすることが望ましい。本実施例では、第一のセルと第二のセルを、各セルの後述の補償後のプルイン電圧の８０％で駆動するとする。その場合、第一のセルに生じさせる電位差は１２５Ｖ、第二のセルに生じさせる電位差は８０Ｖである。ここで、第一のセルと第二のセルに生じさせる電位差には４５Ｖの違いがあるため、第二のセルを４５Ｖ分帯電（１３３で示す）させる補償処理を施す。
【００６７】
次に、図８−１と図８−２を用いて、実施例４の静電容量型トランスデューサの作製方法を説明する。図８−１（ａ）に示すように、シリコン基板１１９上に絶縁膜１１１、１１２を形成する。絶縁膜１１１、１１２は、シリコン基板１１９を２μｍ程度の厚さ熱酸化した後に、パターニングとエッチングにより形成したシリコン酸化膜である。次に図８−１（ｂ）に示すように、２回目の熱酸化を行い、絶縁膜１１３を形成する。絶縁膜１１３はシリコン酸化膜である。次に図８−１（ｃ）に示すように、形成した絶縁膜全てをエッチングによって除去する。そして図８−１（ｄ）に示すように、絶縁膜１１５、１１７を形成する。
【００６８】
シリコン基板１１９を熱酸化して、厚さ４０ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。次に、厚さ１０５ｎｍの窒化シリコン膜を形成する。その後パターニングとエッチングによって、第一のセルのキャビティ底面となる絶縁膜１１５、１１６、第二のセルのキャビティ底面となる絶縁膜１１７、１１８を形成する。次に図８−１（ｅ）に示すように、振動膜支持部１２０を、熱酸化により形成する。厚さは７００ｎｍ程度である。
【００６９】
次に、図８−２（ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板を接合する。ＳＯＩ基板は、シリコン基板１２３（ハンドル層）と表面シリコン層１２１（活性層）の間に酸化シリコン層１２２（ＢＯＸ層）を挿入した構造の基板である。次に、ＳＯＩ基板のハンドル層１２３を薄化し、活性層１２１を露出させる。ハンドル層の除去は、グラインディング、ＣＭＰ、エッチングで行うことが出来る。また、ＢＯＸ層の除去は、酸化膜のエッチング（ドライエッチングやフッ酸等のウェットエッチング）により、実施することが出来る。フッ酸のようなウェットエッチングは、シリコンがエッチングされる事を防止出来るので、エッチングによる単結晶シリコン膜の厚みバラツキを低減出来るため、より好ましい。ＳＯＩ基板の活性層１２１は、厚みバラツキが小さいため、単結晶シリコン膜の厚みバラツキを低減することができ、単結晶シリコン膜のバネ定数バラツキを低減出来るため、静電容量型トランスデューサの性能バラツキを低減することが出来る。
【００７０】
次に、図８−２（ｇ）に示すように、単結晶シリコン膜１２９、１２６の上に第二の電極１３０、１２７を形成する。第二の電極１３０、１２７は、厚さ１００ｎｍのアルミニウムである。次に、図８−２（ｈ）に示すように、第二のセル１０３が有する絶縁膜１１８を帯電させる。本実施例では、第二のセル１０３のみをプルインさせて、第二のセルの絶縁膜１１８を−４５Ｖ分帯電させる。外部の電圧印加手段１３２から、共通電極である第一の電極１１９に１５０Ｖの電圧を印加し、第二のセルのみをプルインさせる。この状態を１時間保持した後に、共通電圧を０Ｖに戻すと、第二のセルが有する絶縁膜１１８には、約４５Ｖ分のマイナス電荷１３３が帯電する。
【００７１】
この状態で、共通電極である第二の電極１３０、１２７に−１２５Ｖを印加すると、第一のセル１０２では１２５Ｖの電位差が生じ、第二のセル１０３では８０Ｖの電位差が生じる。これにより、ばね定数の異なるセルの共通電極に共通電圧を印加した場合でも、帯電処理を行った構成の複数種のセルのプルイン電圧に対して同じ比率の印加電圧でセルを駆動することが出来る。こうして、プルイン電圧に対する印加電圧の比率に依存する電気機械変換係数は、第一のセルと第二のセルにおいて同じにすることが出来る。
【００７２】
以上により、本実施例の静電容量型トランスデューサでは、受信時の周波数帯域或いは送信時の周波数帯域を広くすることが出来るとともに、送信感度或いは受信感度を向上することが出来る。さらに、使用中に再度プルインをさせて帯電処理を行うなど、繰り返し帯電をさせながら使用することが出来る。
【００７３】
（実施例５）
上記実施形態や実施例で説明した静電容量型トランスデューサを備える探触子は、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することが出来る。被検体からの音響波を静電容量型トランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報を取得することが出来る。
【００７４】
図９は、光音響効果を利用した本実施例の被検体情報取得装置を示したものである。パルス状に光を発生する光源１５１から発生したパルス光１５２は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材１５４を介して、被検体１５３に照射される。被検体１５３の内部にある光吸収体１５５は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波１５６を発生する。広帯域特性を有し電気機械変換係数の良い本発明の静電容量型トランスデューサを収納する筺体を備えるプローブ（探触子）１５７は、光音響波１５６を受信して電気信号に変換し、信号処理部１５９に出力する。信号処理部１５９は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部１５０へ出力する。データ処理部１５０は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報）を画像データとして取得する。表示部１５８は、データ処理部１５０から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。勿論、本発明の電気機械変換装置である静電容量型トランスデューサは、音響波があてられた被検体からの音響波を検出する被検体診断装置で用いることも出来る。ここでも、被検体からの音響波を静電容量型トランスデューサで検出し、変換された信号を信号処理部で処理することで被検体内部の情報を取得する。ここでは、被検体に向けて送信する音響波を本発明の静電容量型トランスデューサから発信することも出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の静電容量型トランスデューサは、生体などの測定対象内の情報を得る光イメージング装置や、従来の超音波診断装置などに適用することが出来る。更に、超音波探傷機など、他の用途に用いることも出来る。
【符号の説明】
【００７６】
１・・静電容量型トランスデューサ、３、５・・絶縁膜（絶縁部）、４、１３・・第一の電極、６、１５・・第二の電極、７、１４・・メンブレン（絶縁部）、８、１６・・振動膜、９、１７・・キャビティ（間隙）、１０・・支持部、１１・・電圧印加手段、１２・・第１のセル、１９・・第２のセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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