(57)【要約】【課題】感度を向上させることが可能な静電容量型電気機械変換装置を提供する。【解決手段】静電容量型電気機械変換装置は、第１の電極２と、第１の電極と対向し空隙３を隔てて配設された第２の電極４と、第２の電極を可動に支持するための支持部とを有するセルを備える。支持部は、第２の電極４の外周縁部を支持するための第１の支持部６と、第２の電極４の外周縁部の内側の部分を支持するための第２の支持部７とを含む。第１及び第２の電極が対向する方向において第２の支持部７に対応する部分が、第１及び第２の電極２、４のうちの少なくとも一方を欠いた領域になっている。【選択図】図１
2011101163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、前記第２の電極を可動に支持するための支持部とを有するセルを備える容量型電気機械変換装置であって、
前記支持部が、前記第２の電極の外周縁部を支持するための第１の支持部と、前記第２の電極の外周縁部の内側の部分を支持するための第２の支持部とを含み、
前記第１及び第２の電極が対向する方向において前記第２の支持部に対応する部分が、前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠いた領域になっていることを特徴とする静電容量型電気機械変換装置。
【請求項２】
前記第２の電極を支持する振動膜が設けられ、
前記第１の支持部は前記振動膜の外周縁部を支持し、前記第２の支持部は前記振動膜の外周縁部の内側の部分を支持することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項３】
前記第２の支持部の高さは前記第１の支持部の高さより低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項４】
前記第１の電極側の方向に凹型になっている前記第２の電極の最下部が、前記第２の支持部の最高部よりも低いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項５】
前記最下部付近にのみ第２の電極があることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【請求項６】
前記第２の電極の最下部付近に対向する部分にのみ前記第１の電極があることを特徴とする請求項４又は５に記載の静電容量型電気機械変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型超音波変換装置などの静電容量型電気機械変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシンニング工程を用いた容量型電気機械変換装置が盛んで研究されている。通常の容量型電気機械変換装置は、下部電極と所定の間隔を保って支持された振動膜と該振動膜の表面に配設される上部電極とを有するセルを含む。これは、例えば、容量型超音波変換装置（ＣＭＵＴ：Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer）などとして用いられる。この様な変換装置は、軽量の振動膜を用いて、電気信号から超音波への変換と超音波から電気信号への変換のうちの少なくとも一方を行うものであり、液中及び空気中でも優れた広帯域特性を持つものが容易に得られる。この変換装置を利用すると、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が可能となるため、有望な技術として注目されつつある。この変換装置の動作原理は次の様なものである。超音波を送信する際には、下部電極と上部電極間に、ＤＣ電圧に微小なＡＣ電圧を重畳した電圧を印加する。これにより、振動膜が振動し超音波が発生する。超音波を受信する際には、振動膜が超音波により変形するので、変形に伴う下部電極と上部電極間の容量の変化により信号を検出する。通常の変換装置では、複数のセルが並列に電気的に接続されたエレメント（素子）が複数個配置される。
【０００３】
この様な容量型超音波変換装置では、その電気機械変換性能を高めるために、電極間の間隔を小さくすることが望ましい。そうした目的で、電極間の間隔を小さくするために、電極間の空隙内に支柱を設け、振動膜を支柱に接触させて電極間距離を狭くする方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ−Ａ１−２００６０００４２８９明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した様に、電極間の空隙内に支柱を設け電極間の間隔を小さくすることで電気機械変換性能ないし感度が向上する。しかしながら、容量型電気機械変換装置では更なる高感度化が求められている。電極間の空隙内に支柱を設け振動膜を支柱に接触させる構成では、支柱に近接した部分の振動膜は入力波に対して振動しないか或いは少ししか振動しない。そのため、その部分の静電容量は寄生容量となり感度向上の制約となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、前記第２の電極を可動に支持するための支持部とを有するセルを備える。前記支持部は、前記第２の電極の外周縁部を支持するための第１の支持部と、前記第２の電極の外周縁部の内側の部分を支持するための第２の支持部とを含む。そして、前記第１及び第２の電極が対向する方向において前記第２の支持部に対応する部分が、前記第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠いた領域になっている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の静電容量型電気機械変換装置では、電極間の空隙内に第２の支持部を設けるので、電極間の間隔を小さくすることが可能となり、入力波に対する電極間の容量変化を大きくすることが可能となる。また、第２の支持部に対応する部分が、第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠いた領域になっているので、入力波に対して振動しないか或いは少ししか振動しない部分の寄生容量を減少でき、装置の感度を更に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の容量型電気機械変換装置の断面と上面を示す図。
【図２】本発明の他の実施形態の容量型電気機械変換装置の断面とＡ−Ａ断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の静電容量型電気機械変換装置において重要なことは、前記第１及び第２の電極が対向する方向において前記第２の支持部に対応する部分が、第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠いた領域になっていることである。この考え方に基づき、本発明の容量型電気機械変換装置の基本的な形態は、上述した様な構成を有する。この基本的な形態を基に、次に述べる様な実施形態が可能である。
【００１０】
例えば、第２の電極（後述の上部電極）を支持する振動膜を設け、第１の支持部は振動膜の外周縁部を支持することで第２の電極の外周縁部を支持し、第２の支持部は振動膜の外周縁部の内側の部分を支持することで第２の電極の外周縁部の内側の部分を支持する構成とできる。この場合、振動膜は絶縁材料で形成される。振動膜が第２の電極を兼ねる構成とすることもできる。この場合、第１の支持部は第２の電極の外周縁部を、直接、支持し、第２の支持部は第２の電極の外周縁部の内側の部分を、直接、支持する。この構成では、前記第２の支持部に対応する部分には必ず第２の電極が存在するので、この部分の第１の電極（後述の下部電極）を必ず省略することとなる。
【００１１】
また、第１の電極を基板上に配設する構成とすることもできる。この場合、基板は、通常、絶縁材料で形成される。基板を導電体材料で形成して、第１の電極を兼ねる構成とすることもできる。この構成では、前記第２の支持部に対応する部分には必ず第１の電極が存在するので、この部分の第２の電極を必ず省略することとなる。また、第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠いた領域は、第２の支持部に接する部分にのみ設けてもよいが、該部分を含んでその近傍に設けることもできる。重要なことは、殆ど不動な第２の支持部の領域において第１及び第２の電極が対向して寄生容量を発生する構成にしない様にすることであり、こうした条件を満たせば、第１及び第２の電極のうちの少なくとも一方を欠く領域の形態は問わない。また、複数のセルに亘り振動部が連続的に形成されていて、その可動部が振動膜、その不動部が第１の支持部となる様に構成することもできる。この際、更に第２の支持部も振動膜と連続して形成することができる。こうした構成は、サーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法で容易に作製することができる。
【００１２】
感度向上の観点から、第２の電極又は振動膜は、第１の電極側の方向に撓んで凹型になっているのが好ましい。こうした構成は、第１及び第２の電極間の空隙の圧力を大気圧以下にしたり、電圧印加部で第１及び第２の電極間に電圧を印加して静電引力により第２の電極又は振動膜の形状を調整したりすることで達成される。電圧印加部は、第２の電極又は振動膜の最下部が第２の支持部よりも低くなる様に電圧を調整できる様になっているのが好ましい。
【００１３】
また、前述した様に、通常、容量型電気機械変換装置は、複数の前記セルが電気的に接続された構成である素子（エレメント）を複数有する。具体的には、全てのエレメントの第２の電極は接続配線で接続されて電気回路に接続されているが、第１の電極は互いにエレメント毎に独立に電気回路に接続されることにより、エレメント毎に電気的に分離した出力信号を得ることができる。ただし、このような構成に限らず、エレメント毎に出力信号を得ることができればどのような構成でもよい。こうした構成により、音波、超音波、音響波、光音響波などの弾性波を第１及び第２の電極間の静電容量の変化で検出できる。また、第１及び第２の電極間に変調電圧を印加して第２の電極又は振動膜を振動させることにより、超音波などの弾性波を発することができる。
【００１４】
本発明の容量型電気機械変換装置で用いられる第２の電極は、次の様な材料で形成できる。即ち、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ等から選択される導電体、Ｓｉ等の半導体、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉＣｕ等から選択される合金のうちの少なくとも一材料により形成できる。また、第２の電極は、振動膜の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは、前述した様に振動膜を導電体や半導体で形成する場合は振動膜が第２の電極を兼ねる構造とすることもできる。本発明で用いられる第１の電極も、第２の電極と同様の導電体や半導体等により形成することができる。第1の電極と第２の電極の材料は異なっていてもよい。前述した様に、基板がシリコン等の半導体基板などである場合、基板が第１の電極を兼ねることもできる。
【００１５】
以下、本発明の容量型電気機械変換装置の実施形態を図を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の容量型電気機械変換装置を示す。図１に示す様に、本実施形態の容量型電気機械変換装置のセルは、基板１に配設された下部電極２と、下部電極２と対向し空隙３を隔てて配設された上部電極４と、上部電極４を支持する振動膜５と、振動膜５の外周縁部を支持する第１の支持部６を有する。本実施形態では、振動膜５は絶縁材料である。振動膜５はＳｉＮにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。第１の支持部６はＳｉＮにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。図１（ｂ）に示す様に、振動膜５は第１の支持部６により円形状に可動に支持されているが、楕円状や多角形状などとしてもよい。第１の支持部６により円形状に支持される振動膜５の直径は１０μｍから１００μｍの範囲が好ましく、振動膜５の膜厚は１００ｎｍから８００ｎｍの範囲が好ましい。第１の支持部６の高さは５０ｎｍから３００ｎｍの範囲が好ましい。容量型電気機械変換装置は、電極２、４間の空隙３のギャップを狭くすることにより、入力波に対する振動膜５の変化による容量変化が大きくなるため、高感度化を実現することができる。
【００１６】
また、本実施形態の容量型電気機械変換装置では、基板１上のセルの中央部に円柱状の第２の支持部７が配置され、第２の支持部７は第１の支持部６の高さに比べ低く設定されている。第２の支持部７の直径は１μｍから５μｍが好ましいが、振動膜５の直径に対して十分小さければよい。第２の支持部７の高さは、第１の支持部６の高さの１／２程度以下が好ましい。また、第２の支持部７もＳｉＮにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。第２の支持部７は円柱形状が好ましいが、振動膜５の外周縁部の内側の一部を保持できる形状であればどの様なものでもよい。第２の支持部７は基板１上のセルの中央に配置するのが最も望ましいが、その他の位置でも効果を有する。
【００１７】
空隙３は、振動膜５の上部環境と比べ減圧状態になっており、振動膜５には下部電極２方向に凹型になる様な力が加わる。更に、図示しない電圧印加部は、下部電極２と上部電極４との間に電圧を加えることにより、電極２、４間の静電引力により振動膜５を下部電極２方向に凹型になる様な力を加える。これら２つの力により振動膜５は下部電極２方向に変形するが、下部電極２の中央部に配置した第２の支持部７に振動膜５の中央部が接触するため、振動膜５の形状は図１（ａ）に示す様に、振動膜５の最下部が第２の支持部７の最高部よりも低くなる。ここで、振動膜５の最下部とは、振動膜５と基板１が最も近い部分であり、第２の支持部７の最高部とは、基板１から最も離れた第２の支持部７の部分である。
【００１８】
空隙３の減圧の状態と上記電圧印加部の印加電圧を調整することにより、振動膜５の最下部が下部電極２に近くなり、振動膜５上の上部電極４と下部電極２の間隔を狭くすることができる。従来の容量型電気機械変換装置では、電極間距離が最も狭くなる領域が振動膜中央の１点となる。これに対して、本実施形態では、従来のものと比べ、電極間距離が最小となる領域が広いため、入力波に対する振動膜５の変化による容量変化が大きくなり、高感度化が実現できる。
【００１９】
また、容量型電気機械変換装置は、寄生容量の少ない方が高感度化を実現できる。寄生容量とは、入力圧に対して変化しない容量成分のことであり、寄生容量が大きくなると信号ノイズが大きくなる等により感度低下を招く。空隙内部に支持部を設け振動膜に接触させた場合、支持部付近の振動膜は入力波に対して振動しないか少なくしか振動しない。そのため、支持部の近傍の上部電極と下部電極間の容量は寄生容量となる。本実施形態の容量型電気機械変換装置では、第２の支持部７近傍の振動が少ない振動膜５には上部電極４が無い領域が設けられ、且つ上部電極４は振動膜５の最下部付近に配置される。こうして、図１（ｂ）に示す様に、最下部付近にのみ第２の電極である上部電極４があって、ドーナツ型の形状をしている。また、下部電極２も、第２の支持部７に対応する領域には形成されていない。そのため、振動しないか振動が少ない振動膜５の領域の寄生容量を低減できる。
【００２０】
ここで、上部電極４が無い領域とはドーナツ型の電極の内径の領域である。この領域は、好ましくは、振動膜５と第２の支持部７の接点を中心に、振動膜５の最下部と第２の支持部７の最高部との面内方向距離の１０％から５０％の長さをドーナツ型の内径半径とした領域である。より好ましくは、振動膜の最下部と第２の支持部の最高部との距離の３０％の長さをドーナツ型の内径半径とするのがよい。例えば、第２の支持部７の直径が５μｍ、高さが５０ｎｍ、振動膜５の膜厚が１００ｎｍ、振動膜と第２の支持部の比誘電率が６とすると、第２の支持部７の寄生容量に係る上下電極間容量Ｃは次の式１より、約０.００７ｐＦとなる。
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ      式１
ここで、ε０は真空の誘電率、εｒは前記比誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離とする。この第２の支持部７における上下電極間容量は、全体の容量に対して１０％以上と大きい。本実施形態の様に第２の支持部７における上下電極を無くすことにより、この寄生容量の増加を防ぐことができる。
【００２１】
この様に、第２の支持部と第２の支持部近傍の上下電極を設けないことにより、変化が少ない振動膜の領域の寄生容量を低減でき、変化が大きい振動膜の領域のみの容量を大きくすることができる。これにより、高感度な容量型電気機械変換装置を実現することができる。本実施形態では、１つの第２の支持部７を基板１上に配置したが、複数本配置しても同様の効果が得られる。この場合、複数本の第２の支持部の全てに対応する部分について、上記の如き何れかの電極を無くした領域とするのが好ましいが、少なくとも１つの第２の支持部に対応する部分についてのみ上記の如き何れかの電極を無くした領域としてもよい。また、第２の支持部７の領域の上下の電極を無くしているが、何れか一方の電極を無くした構成にしても同様の効果が得られる。
【００２２】
（第２の実施形態）
図２を用いて第２の実施形態の容量型電気機械変換装置を説明する。図２に示す様に、本実施形態の容量型電気機械変換装置のセルは、絶縁材料の基板１に配設された下部電極２と、下部電極２と対向し空隙３を隔てて配設された振動膜５と、振動膜５を支持する第１の支持部６を有する。また、振動膜５上には円形状の上部電極４が配設されている。振動膜５を導体で形成して、振動膜５が上部電極の役割も兼ねる様にしてもよい。この場合は、上部電極４を省略できる。また、振動膜５上の上部電極４の形状も、下記の下部電極２の形状に合わせてドーナツ型にしてもよい。
【００２３】
振動膜５が上部電極の役割も兼ねる構成の場合、振動膜５はＳｉなどで形成できるが、その他の導電体材料でもよい。また、第１の支持部６も低抵抗のＳｉなどにより形成できるが、その他の導電体材料でもよい。第１の支持部６による振動膜５の支持形態、振動膜５の直径や膜厚、第１の支持部６の高さなどについては、第１の実施形態で説明した通りである。
【００２４】
また、本実施形態では、第２の支持部７はＳｉ０により形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。第２の支持部７近傍には下部電極２が無い領域が設けられ、下部電極２は振動膜５の最下部付近に配置され、図２（ｂ）に示す様にドーナツ型の形状をしている。即ち、第２の電極である上部電極４の最下部付近に対向する部分にのみ第１の電極である下部電極２がある。そのため、変化が少ない領域の振動膜５の寄生容量を低減できる。下部電極が無い領域とはドーナツ型の電極２の内径の領域であり、好ましくは、基板１と第２の支持部７の接点を中心に、振動膜５の最下部と第２の支持部７の最高部との面内方向距離の１０％から５０％の長さをドーナツ型の内径半径とした領域である。より好ましくは、振動膜の最下部と第２の支持部の最高部との距離の３０％の長さをドーナツ型の内径半径とするのがよい。例えば、第２の支持部７の直径が５μｍ、高さが５０ｎｍ、第２の支持部７の比誘電率が３.７とすると、第２の支持部７の上下電極間容量Ｃは上記式１より、約０.０１３ｐＦとなる。ここでも、第２の支持部７の上下電極間容量は全体の容量に対して１０％以上と大きい。本実施形態に示す様に第２の支持部７近傍の下部電極を無くすことにより、この寄生容量の増加を防ぐことができる。
【００２５】
この様に、本実施形態でも、第２の支持部の近傍に下部電極を設けないことにより、変化が少ない振動膜の領域の寄生容量を低減でき、変化が大きい振動膜の領域のみの容量を大きくすることができる。こうして、高感度な容量型電気機械変換装置を実現できる。
【符号の説明】
【００２６】
１…基板、２…下部電極（第１の電極）、３…空隙、４…上部電極（第２の電極）、５…振動膜、６…第１の支持部、７…第２の支持部
【図１】
2011101163.tif 000003
【図２】
2011101163.tif 000004