(57)【要約】【課題】貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができる超音波トランスデューサーアレイ、超音波探触子および超音波診断装置を提供する。【解決手段】１つ以上のｐＭＵＴセル１００が基板１０１上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、個々のｐＭＵＴセル１００は、基板１０１上に設けられた開口部１０１ｂを閉塞するように基板１０１上に設けられた振動板１０２ａ、および、振動板１０２ａの開口部１０１ｂとは反対側の面に設けられた上部電極１０４ａ、圧電材料層１０３、および下部電極１０４ｂを含むダイアフラム１０５と、開口部１０１ｂ内に設けられ、ダイアフラム１０５の駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材１０８と、を有する。【選択図】図５
2019016912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のｐＭＵＴセルが基板上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、
個々の前記ｐＭＵＴセルは、
前記基板上に設けられた開口部を閉塞するように前記基板上に設けられた振動板、および、前記振動板の前記開口部とは反対側の面に設けられた電極および圧電材料層を含むダイアフラムと、
前記開口部内に設けられ、前記ダイアフラムの駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材と、
を有する、超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項２】
前記電極と前記導通部材とは、前記振動板を介して導通する、
請求項１に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項３】
前記振動板は、抵抗率が１ｍΩ・ｃｍ以下の高ドープシリコンにより構成される、
請求項２に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項４】
複数個の前記ｐＭＵＴセルを電気的に接続したチャンネルが前記基板上に複数個配置された、
請求項１に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項５】
前記チャンネルは、前記導通部材を介して駆動信号が前記電極に入力されたときに前記ダイアフラムを振動させて超音波を送信し、超音波を受信したときに前記ダイアフラムの振動を受信信号として出力する複数のｐＭＵＴセルによって構成される、
請求項４に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項６】
前記チャンネルの周囲には、超音波の送受信を行わない所定数以上のｐＭＵＴセルが配置される、
請求項５に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項７】
前記チャンネルは、超音波の送信のみを行うチャンネルと、超音波の受信のみを行うチャンネルと、を含む、
請求項５に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項８】
複数個の前記ｐＭＵＴセルが前記基板上に配列される場合に、前記複数個のｐＭＵＴセルは２種類以上の固有振動数を有する、
請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーアレイ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーアレイを備えた、
超音波探触子。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーアレイを備えた超音波探触子から得られた超音波受信信号を用いて超音波診断画像を生成する、
超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細加工技術を用いて作成される超音波トランスデューサーアレイ、超音波探触子および超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、微細加工技術を用いて製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスが普及している。ＭＥＭＳデバイスは、センサーやトランスデューサー等に用いられる。
【０００３】
例えば超音波を生成するトランスデューサー（超音波トランスデューサー）として、例えばシリコン等の基板（基材層）にＰＺＴ等の圧電薄膜（駆動層）を形成したユニモルフ構造のダイアフラム（可動膜）を太鼓状に振動させて超音波の送受信を行うｐＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）がある。
【０００４】
ｐＭＵＴは、例えばバルクＰＺＴをダイシング等により分割した圧電素子と比較して、より微細化が可能であるため高感度化・高画質化が望めること、３次元画像を生成するための圧電素子の２次元アレイ化に適していること、小型化および薄型化が可能であること、等の様々な特徴を有する。
【０００５】
このようなｐＭＵＴを複数配列したｐＭＵＴアレイにおいて、例えば貫通電極を設けて信号を取り出す技術が例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１５−５１７７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よりｐＭＵＴアレイの高感度化を図るためには、ｐＭＵＴセルをできるだけ高密度で配列させることが望ましい。しかしながら、例えば貫通電極を設けて超音波送受信用の信号を取り出すと、貫通電極を設けるための空間を用意する必要があるため、ｐＭＵＴセル密度が低下してしまう。ｐＭＵＴセル密度の低下は、ｐＭＵＴアレイの低感度化・低画質化を招くため、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができるｐＭＵＴアレイが要望されている。
【０００８】
本発明は、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができる超音波トランスデューサーアレイ、超音波探触子および超音波診断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の超音波トランスデューサーアレイは、１つ以上のｐＭＵＴセルが基板上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、個々の前記ｐＭＵＴセルは、前記基板上に設けられた開口部を閉塞するように前記基板上に設けられた振動板、および、前記振動板の前記開口部とは反対側の面に設けられた電極および圧電材料層を含むダイアフラムと、前記開口部内に設けられ、前記ダイアフラムの駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材と、を有する。
【００１０】
本発明の超音波探触子は、上記超音波トランスデューサーアレイを備えた超音波探触子である。
【００１１】
本発明の超音波診断装置は、上記超音波トランスデューサーアレイを備えた超音波探触子から得られた超音波受信信号を用いて超音波診断装置を生成する超音波診断装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超音波トランスデューサーを有する超音波診断装置の外観構成を示す図
【図２】超音波診断装置の電気的な構成例を示すブロック図
【図３】超音波探触子の構成について説明するための図
【図４Ａ】超音波トランスデューサーアレイを構成するｐＭＵＴセルを２次元的に配列した例を示す図
【図４Ｂ】超音波トランスデューサーアレイを構成するｐＭＵＴセルを２次元的に配列した例を示す図
【図５】ｐＭＵＴセルの断面図
【図６Ａ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｂ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｃ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｄ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｅ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｆ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図６Ｇ】ｐＭＵＴセルの作成方法を説明するための図
【図７Ａ】超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するｐＭＵＴセルの断面図
【図７Ｂ】図７Ａに示すセルが複数個配列されたチャンネルの例を示す平面図
【図７Ｃ】本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセルが配列されたチャンネルの例を示す平面図
【図８】超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するｐＭＵＴセルを用いたｐＭＵＴアレイの特性と、本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセルを用いたｐＭＵＴアレイの特性と、を比較した図
【図９Ａ】４つのセルの上部電極を並列結合した変型例４について説明するための図
【図９Ｂ】４つのセルの上部電極を並列結合した変型例４について説明するための図
【図１０Ａ】４つのセルの上部電極と下部電極を並列結合した場合の変型例５について説明するための図
【図１０Ｂ】４つのセルの上部電極と下部電極を並列結合した場合の変型例５について説明するための図
【図１１Ａ】複数種類の固有振動数を有するｐＭＵＴセルを混在させた場合のｐＭＵＴアレイを例示した平面図
【図１１Ｂ】複数種類の固有振動数を有するｐＭＵＴセルを混在させた場合のｐＭＵＴアレイを例示した平面図
【図１１Ｃ】狭帯域セルを複合した場合にアレイ全体で広帯域化される様子を示した概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１５】
図１は、超音波診断装置の外観構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る超音波診断装置の電気的な構成例を示すブロック図である。
【００１６】
超音波診断装置１は、超音波診断装置本体１０と、超音波探触子２０と、ケーブル３０とを有する構成を採る。
【００１７】
超音波探触子２０は、被検体である人体（図示せず）に対して超音波信号を送信し、人体で反射された超音波信号を受信する。
【００１８】
超音波診断装置本体１０は、ケーブル３０を介して超音波探触子２０と接続され、超音波探触子２０へケーブル３０を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子２０に対して超音波信号を送信させる。また、超音波診断装置本体１０は、超音波探触子２０が受信した超音波信号に基づいて超音波探触子２０において生成された電気信号を用いて、人体の内部状態を超音波画像として画像化する。
【００１９】
具体的には、超音波診断装置本体１０は、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像処理部１４と、表示部１５と、制御部１６と、を含む構成を採る。
【００２０】
操作入力部１１は、例えば、診断開始等を指示するコマンドまたは被検体に関する情報を入力する。操作入力部１１は、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルまたはキーボード等である。
【００２１】
送信部１２は、ケーブル３０を介して、制御部１６から受け取る制御信号（駆動信号）を超音波探触子２０へ送信する。
【００２２】
受信部１３は、超音波探触子２０からケーブル３０を介して送信される受信信号を受信する。そして、受信部１３は、受信した超音波信号を画像処理部１４へ出力する。
【００２３】
画像処理部１４は、制御部１６の指示に従って、受信部１３から受け取る超音波信号を用いて被検体内の内部状態を表す超音波診断用の画像（超音波画像）を生成する。
【００２４】
表示部１５は、制御部１６の指示に従って、画像処理部１４において生成された超音波画像を表示する。
【００２５】
制御部１６は、操作入力部１１、送信部１２、受信部１３、画像処理部１４、表示部１５をそれぞれの機能に応じて制御することによって、超音波診断装置１の全体制御を行う。
【００２６】
［超音波探触子について］
図３は、超音波探触子２０の構成について説明するための図である。超音波探触子２０は、保護層２１と、超音波送受信トランスデューサーアレイとしてのｐＭＵＴエレメント２２と、バッキング材２３と、信号処理回路２４とを備えている。なお、ｐＭＵＴエレメント２２の詳細については後述する。
【００２７】
保護層２１は、ｐＭＵＴエレメント２２を保護するものである。この保護層２１は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、音響インピーダンスが比較的人体に近い、比較的柔軟なシリコーンゴム等で形成されている。
【００２８】
バッキング材２３は、ｐＭＵＴエレメント２２で発生する不要振動を減衰する。信号処理回路２４は、超音波送信用のパルス信号の生成や、受信パルス信号の処理等を行う回路であり、ケーブル３０を介して超音波診断装置本体１０に接続されている。
【００２９】
［ｐＭＵＴエレメントについて］
ｐＭＵＴエレメント２２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造された複数のｐＭＵＴセル１００が１次元的あるいは２次元的に配置されたｐＭＵＴアレイである。ｐＭＵＴエレメント２２は、本発明の超音波トランスデューサーアレイの一例である。
【００３０】
図４Ａおよび図４Ｂは、ｐＭＵＴエレメント２２を構成するｐＭＵＴセル１００を２次元的に配列した例を示す図である。図４ＡはｐＭＵＴセル１００を直交格子上に配列した例を、図４ＢはｐＭＵＴセル１００を三角格子上に配列した例を、それぞれ示している。
【００３１】
図４Ａおよび図４Ｂにおいて、互いに隣接する複数のｐＭＵＴセル１００が電気的に並列接続され、チャンネルｃｈを構成している。図４Ａおよび図４Ｂの例では、１チャンネルが３×１１セルで構成されており、図４Ａおよび図４Ｂには、ｃｈ＿１〜ｃｈ＿３の３チャンネル分が図示されている。図４Ａおよび図４Ｂにおいて、チャンネルｃｈ＿１〜ｃｈ＿３の外部にもｐＭＵＴセル１００が配列されているが、これらは超音波の送受信機能を有しないセルである。本実施の形態において、これら送受信機能を有しないセルのことをダミーセル１００Ｄと称することがある。一方、図４Ａおよび図４Ｂにおいてチャンネルｃｈ＿１〜ｃｈ＿３に含まれる、超音波送受信機能を有するセルのことを、アクティブセル１００Ａと称することがある。
【００３２】
ダミーセル１００Ｄは、チャンネルｃｈ端部のセルとチャンネルｃｈ内部のセルとの構造境界的対称性を保つために設置される。ダミーセル１００Ｄは、チャンネルｃｈの外側の、ｐＭＵＴエレメント２２にて使用する超音波の周波数帯域の最小周波数で１波長分（１０セル程度）の幅を有する領域内に設けられる。また、ダミーセル１００Ｄの機械的構造は、アクティブセル１００Ａと基本的には同一である。換言すれば、ｐＭＵＴエレメント２２は、基板上に所定数だけ格子上に配列したｐＭＵＴセル１００のうち、端部から１波長分の幅に対応するダミーセル領域を除いた領域に、複数個のセルを電気的に並列接続して少なくとも１つのチャンネルｃｈが構成されればよい。
【００３３】
なお、アクティブセル１００Ａの周囲にダミーセル１００Ｄを設けるのは以下の理由による。エッチングによってセルを作成する際に、基板の端部付近では、エッチング液が中央部付近よりも比較的多く流れ込むことによってエッチングレートが部分的に速くなることがある。その場合、基板の中央部付近と端部付近とで形成されるセルの形状にばらつきが生じ、それによりセルの特性にもばらつきが生じることがある。すなわち、ダミーセル１００Ｄを設ける１つ目の理由は、基板の端部付近のセルを超音波送受信に用いないようにすることで、アクティブセル１００Ａの形状のばらつきを抑え、アクティブセル１００Ａの特性を均質化することができるからである。
【００３４】
２つ目の理由は、以下の通りである。ダミーセルを設けない場合、チャンネル中央のセルの周囲には他のセルが存在するが、チャンネル端のセルの外側には他のセルが存在しないことになる。その結果、機械振動の境界条件がチャンネル中央と端部とで異なり、セルの共振周波数や振動振幅がセル毎に変動してチャンネル内でのセル特性が不均質になる。すなわち、２つ目の理由は、ダミーセルを設けることにより、チャンネル端部でもチャンネル内部と同様な機械的境界条件とすることができ、結果としてチャンネル全体の振動特性を均質化できるからである。
【００３５】
以下の説明においては、図４Ａに示すように、各セルが直交格子上に配列された場合について説明する。しかしながら、ｐＭＵＴエレメント２２の感度を向上させるという観点からすれば、図４Ｂに示すようにセルを三角格子上に配列した方が、セル密度を高くできるのでより好適である。
【００３６】
［ｐＭＵＴセル１００の構造］
次に、個々のｐＭＵＴセル１００の構造について説明する。図５は、ｐＭＵＴセル１００の断面図である。ｐＭＵＴセル１００は、開口部１０１ｂを有する基板１０１と、振動板１０２ａと、圧電材料層１０３と、上部電極１０４ａと、下部電極１０４ｂとを備えている。なお、以下の説明において、基板１０１に対して、上部電極１０４ａ、圧電材料層１０３、および下部電極１０４ｂが設けられた側を上側とし、その反対側（開口部１０１ｂが設けられた側）を下側とする。
【００３７】
基板１０１は、例えばシリコン基板である。基板１０１の両面にはＳｉＯ２層１０１ａが成膜されている。また、上側のＳｉＯ２層１０１ａの上側には高ドープシリコン層（以下ＨＤＳｉ層）１０２が接合されている。振動板１０２ａは、ＨＤＳｉ層１０２の一部であって、基板１０１に設けられた開口部１０１ｂを閉塞する薄板構造である。
【００３８】
圧電材料層１０３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜で構成されており、電界印加によって振動板１０２ａを振動させるべく、振動板１０２ａに対して開口部１０１ｂとは反対側（上側）に形成されている。
【００３９】
上部電極１０４ａは、圧電材料層１０３の上側に設けられる電極である。一方、下部電極１０４ｂは、圧電材料層１０３の下側に設けられる電極である。下部電極１０４ｂは、振動板１０２ａを介して後述する導通部材１０８と導通している。
【００４０】
振動板１０２ａ、圧電材料層１０３、上部電極１０４ａ、および下部電極１０４ｂは、例えば断面円形状等にパターニング形成されている。なお、振動板１０２ａ、圧電材料層１０３、上部電極１０４ａ、および下部電極１０４ｂの断面形状は、円形状以外の形状、例えば正八角形等の多角形の形状であってもよい。また、上部電極１０４ａ、下部電極１０４ｂの形状が圧電材料１０３の断面形状とが異なる形状であってもよい。このようにパターニング形成された振動板１０２ａと、圧電材料層１０３、上部電極１０４ａ、および下部電極１０４ｂによって、圧電素子としてのダイアフラム（可動膜）１０５が構成される。
【００４１】
絶縁層１０６は、パターニング形成された圧電材料層１０３、上部電極１０４ａ、および下部電極１０４ｂを覆うように設けられる絶縁材料の層である。なお、図５に示すように、上部電極１０４ａの上端部は絶縁層１０６から露出している。上部電極１０４ａの上部には、上部電極１０４ａの引き出し電極（図示せず）がさらに設けられてもよい。絶縁層１０６は、低誘電率の絶縁材料、例えば、ポリシリコン、エポキシ、ポリウレア、ポリイミド、ポリ尿素、パリレン（登録商標）等で形成されればよい。
【００４２】
絶縁層１０７は、開口部１０１ｂの内壁面に沿って形成された絶縁材料の層である。絶縁層１０７は、基板１０１の開口部１０１ｂから露出する構成、すなわちＨＤＳｉ層１０２（振動板１０２ａ）、ＳｉＯ２層１０１ａ、基板１０１等を覆うように設けられる。絶縁層１０７は、例えばＳｉＯ２等で形成された絶縁被膜である。
【００４３】
絶縁層１０７の一部には開口が設けられ、この開口を介して後述の導通部材１０８がＨＤＳｉ層１０２（振動板１０２ａ）と接触している。なお、図５では絶縁層１０７の一部に開口が設けられている場合を例示しているが、絶縁層１０７の振動板１０２ａと接する部位の全体に開口が設けられていてもよい。
【００４４】
導通部材１０８は、下部電極１０４ｂとの導通を確保するための部材である。導通部材１０８は、導電性の良い金属等により構成される。導通部材１０８は、単層の金属により構成されてもよいし、複数層の金属（例えばＮｉ層を下地としてＣｕ層をさらにメッキする等）により構成されてもよい。
【００４５】
このような構成を有するｐＭＵＴセル１００は、基板１０１上に少なくとも１つ形成され、例えばＡＣＦ圧着等によってＬＳＩ基板等と接続される。導通部材１０８は、ＬＳＩ基板上に設けられた、ｐＭＵＴセル１００に対する信号の入出力を行う信号検出回路と接続されている。信号検出回路は、上記した信号処理回路２４を介して（あるいは介さずに）ケーブル３０を介して（あるいは無線によりケーブルを介さずに）超音波診断装置本体１０と接続されており、超音波診断装置本体１０の制御に基づいてｐＭＵＴセル１００に駆動信号を入力したり、ｐＭＵＴセル１００から受信信号を受信して超音波診断装置本体１０に出力したりする。なお、本実施の形態では、導通部材１０８および下部電極１０４ｂを介して駆動信号および受信信号が入出力されるものとする。
【００４６】
このように、ｐＭＵＴセル１００では、下部電極１０４ｂの導通が振動板１０２ａを介した導通部材１０８によって確保される。このため、例えば基板１０１を貫通する貫通電極等を設けずとも、下部電極１０４ｂから超音波送受信用の信号引き出しを行うことができる。
【００４７】
［振動板１０２ａ（ＨＤＳｉ層１０２）の材料について］
上記したように、導通部材１０８は、振動板１０２ａ（ＨＤＳｉ層１０２）を介して下部電極１０４ｂとの導通を確保している。このため、ＨＤＳｉ層１０２は、上記したように、例えば１ｍΩ・ｃｍ以下の抵抗率を有する必要がある。このような抵抗率を有するＳｉ層は、例えばシリコンにリン、ホウ素、リン化ガリウム、砒化ガリウム等のドーパントをドーピング濃度１０１９ｃｍ−３程度ドーピングして得られる。
【００４８】
［作成方法］
次に、ｐＭＵＴセル１００の作成方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｇは、ｐＭＵＴセル１００の作成方法を説明するための図である。
【００４９】
まず図６Ａに示すようにシリコンウエハーを用意する。このシリコンウエハーは図５に示す基板１０１に対応する。このシリコンウエハーの両面に例えば熱酸化炉でＳｉＯ２層（図５のＳｉＯ２層１０１ａに対応）を生成し、一方の面に表面活性処理を行った高ドープシリコンウエハー（図５のＨＤＳｉ層１０２に対応）を直接接合する（図６Ｂ）。なお、以下では、シリコンウエハーから見て高ドープシリコンウエハーを接合した側を上側として説明を行う。
【００５０】
次に、図６Ｃに示すように、高ドープシリコン層の上部に、下部電極層（図５の下部電極１０４ｂに対応）、圧電材料層（図５の圧電材料層１０３に対応）、上部電極層（図５の上部電極１０４ａに対応）を順次成膜する。下部電極層および上部電極層は、例えばチタン３０ｎｍ、プラチナ１００ｎｍ程度の積層構造であって、例えばスパッタや真空蒸着等により形成される。圧電材料層１０３は、例えば１〜３μｍ程度のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層であって、スパッタや化学溶液法により形成される。なお、圧電特性の対称性の観点から、上部電極層と下部電極層とは同じ構成とすることが望ましい。
【００５１】
次に、図６Ｄに示すように、上部電極層、圧電材料層、および下部電極層をパターニングした後、絶縁層（図５の絶縁層１０７に対応）を形成する。具体的には、まず圧電材料層（ＰＺＴ）がエッチングストップ層（高選択比）となるようなエッチャント（例えばＡｒガス、Ｃｌガス等）を用いて、上部電極パターンを形成する。そして、下部電極層がエッチングストップ層となるようなエッチャント（例えば、フッ酸と硝酸の混合液）を用いて圧電材料層をパターニングする。さらに、シリコン層がエッチングストップ層となるようなエッチャント（例えばＡｒガス、Ｃｌガス等）を用いて、下部電極パターンを形成する。なお、図示は省略するが、隣接セルとの隔離のため、下部電極層の下の高ドープシリコンウエハーをさらにエッチングしてもよい。そして、スパッタや真空蒸着装置等を用いて低誘電率の絶縁材料を堆積させて絶縁層を形成する。また、ＣＭＰ（化学機械研磨）処理等を用いて上部電極層を露出させ、上部電極層の引き出し用電極（図示は省略）を形成する。
【００５２】
そして、図６Ｅに示すように、下側からＳｉＯ２層およびＳｉ層をエッチングして開口部（図５の開口部１０１ｂに対応）を形成する。具体的には、下側のＳｉＯ２層を例えばフッ酸等でエッチングした後、ＳｉＯ２層がエッチングストップ層となるようなエッチャントを用いて、深掘りＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  ＲＩＥ（反応性イオンエッチング））によりシリコンウエハーをエッチングする。例えばボッシュ法ではＳＦ６をエッチングガスとし、Ｃ４Ｆ８を開口部の側壁保護のためのパッシベーションとして交互に導入することが望ましい。さらに、上側のＳｉＯ２層をＣＦ４等のエッチングガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）や、液相または気相のフッ酸等を用いてエッチングする。
【００５３】
次に、図６Ｆに示すように、開口部の内壁面を覆うようにＳｉＯ２等の絶縁被膜（図５の絶縁層１０７に対応）をＣＶＤ（化学気相蒸着）等にて形成する。
【００５４】
その後、図６Ｇに示すように、図６Ｆで形成した絶縁被膜の一部をエッチングにより除去して高ドープシリコンウエハー表面を露出した後、導通部材（図５の導通部材１０８に対応）を例えば無電解メッキ等で単層または複数層成膜する。導通部材は、例えば０．１μｍ程度の厚さを有する導電性の高い金属膜である。
【００５５】
［ｐＭＵＴエレメント２２の奏する効果］
次に、本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセル１００を１つ以上備えたｐＭＵＴエレメント２２の奏する効果について、貫通電極を用いて超音波送受信用の信号引き出しを行う場合と比較して具体的に説明する。
【００５６】
図７Ａおよび図７Ｂは、下部電極からの超音波送受信用の信号引き出しを、貫通電極を用いて行う場合のｐＭＵＴセルの構成例である。図７Ａは、貫通電極を有するｐＭＵＴセルの断面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示すセルが所定の大きさの基板上に複数個配列された例を示す平面図である。一方、図７Ｃは、本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセル１００が図７Ｂと同じ大きさの基板上に配列された例を示す平面図である。
【００５７】
図７Ａに示す例では、基板（シリコンウエハー）の上側から下側まで貫通するように貫通電極が設けられており、この貫通電極により、下部電極から超音波送受信用の信号引き出しが行われる。このように超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合、図７Ｂに示すように、１つのセル内において、ダイアフラム（振動板、圧電材料層、上部電極および下部電極で構成される）以外に貫通電極を設けるためのスペースが必要となる。
【００５８】
一方、ｐＭＵＴセル１００では、上記したようにダイアフラムの下側に存在する開口部１０１ｂ内に下部電極１０４ｂと外部との導通を確保する導通部材１０８が設けられている。このため、図７Ｃに示すように、ダイアフラムの周囲に貫通電極を設けるためのスペースを確保する必要がなく、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合と比較して、それぞれのｐＭＵＴセル１００の大きさを小さくすることができる。このため、ｐＭＵＴエレメント２２内にｐＭＵＴセル１００を高密度で配列することができるので、ｐＭＵＴエレメント２２によって高感度な超音波トランスデューサーを作成することができる。
【００５９】
また、ｐＭＵＴセル１００では、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設ける場合と比較して、セル毎の大きさが小さいため構造周期が小さくなり、サイドローブ角を大きくすることができ、超音波診断装置本体１０にて生成される超音波画像からサイドローブによる虚像の影響を抑え、画質を向上させることができる。
【００６０】
また、ｐＭＵＴセル１００は、図７Ｃに示すように、対称性が高い構造を有するため、ｐＭＵＴエレメント２２内に配列されるｐＭＵＴセル１００毎の振動特性を均質化させることができる。これにより、ｐＭＵＴエレメント２２の超音波トランスデューサーとしての感度を向上させることができる。
【００６１】
下記の表１は、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するｐＭＵＴセルを用いたｐＭＵＴアレイの特性と、本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセル１００を用いたｐＭＵＴアレイの特性と、を比較した表である。また、図８は、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するｐＭＵＴセルを用いたｐＭＵＴアレイの特性と、本発明の実施の形態に係るｐＭＵＴセル１００を用いたｐＭＵＴアレイの特性と、を比較した図である。表１および図８は、各ｐＭＵＴアレイを超音波トランスデューサーとして用いた場合の周波数特性を有限要素法により算出したものである。従来例１は、貫通電極の直径が２０μｍ、セルピッチが１１０μｍであり、従来例２は貫通電極の直径が４０μｍｍセルピッチが１５０μｍである。また、本発明のセルピッチは６６μｍが想定されている。
【００６２】
【表１】
2019016912.tif 000003
【００６３】
表１および図８に示すように、ｐＭＵＴセル１００を用いた場合、ピーク感度を低下させずに帯域幅を拡大することができる。換言すれば、ｐＭＵＴセル１００を用いた場合、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を用いた場合より広い周波数帯域で高い送信感度を得ることができる。また、表１に示すように、セル密度を高くすることができる。
【００６４】
＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る超音波トランスデューサーアレイは、１つ以上のｐＭＵＴセル１００が基板１０１上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、個々のｐＭＵＴセル１００は、基板１０１上に設けられた開口部１０１ｂを閉塞するように基板１０１上に設けられた振動板１０２ａ、および、振動板１０２ａの開口部１０１ｂとは反対側の面に設けられた上部電極１０４ａ、圧電材料層１０３、および下部電極１０４ｂを含むダイアフラム１０５と、開口部１０１ｂ内に設けられ、ダイアフラム１０５の駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材１０８と、を有する。
【００６５】
このような構成により、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合と比較して、ｐＭＵＴセル１００の大きさを小さくすることができるので、セル密度を向上させることができる。このため、広帯域化や受信感度の向上が実現される。また、チャンネルピッチが縮小されるので、サイドローブ角が増大し超音波画像の画質改善が見込まれる。また、ダイアフラム１０５を構成する開口部１０１ｂに導通部材１０８を設けることにより、超音波トランスデューサーアレイ全体の構造強度を向上させることができる。さらに、個々のｐＭＵＴセル１００が対称性の高い構造を有するので、ｐＭＵＴセル１００毎（あるいはチャンネル毎）の振動特性を均質化でき、超音波トランスデューサーアレイ全体の受信感度を向上させることができる。
【００６６】
＜変型例＞
以上、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。特許請求の範囲の記載範囲内において、当業者が想到できる各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。以下では、種々の変型例について具体的に説明する。
【００６７】
［変型例１］
上記説明した実施の形態において、開口部１０１ｂは単なる空洞であったが、開口部１０１ｂには例えば真空や不活性ガス等が封止されてもよい。あるいは、開口部１０１ｂには液体、樹脂等を充填してもよい。これらを封止または充填する場合、開口部１０１ｂ内の入口部分（例えば図５に示す開口部１０１ｂの下端付近）に導電性材料（金属、導電性樹脂、導電性酸化物）を設けるようにしてもよい。このようにすることで、導通部材１０８の保護、導通安定、広帯域化等の効果が得られる。
【００６８】
［変型例２］
上記説明した実施の形態では、全てのｐＭＵＴセル１００に導通部材１０８を設けていたが、例えば全てのｐＭＵＴセル１００には導通部材１０８を設けず、チャンネルｃｈ内の１つ以上のｐＭＵＴセル１００にのみ導通部材１０８を設けるようにしてもよい。すなわち、本発明では、チャンネルｃｈ内において導通部材を設けたセルが１つであってもよいが、導通断線時等を考慮して複数のセルに導通部材を設けることが望ましい。
【００６９】
［変型例３］
上記説明した実施の形態において、上部電極１０４ａには引き出し電極（図示せず）が接続されていたが、例えば基板１０１を貫通する貫通電極を設け、これによって上部電極１０４ａからの信号の引き出しを行うようにしてもよい。なお、上部電極１０４ａはチャンネル間共通電極（ＧＮＤ）であり、変型例３のように上部電極用１０４ａに貫通電極を設けてもその数はごく少数で済む。このため、上部電極１０４ａ用に貫通電極を設けても、チャンネル全体における振動特性には大きな影響はない。
【００７０】
［変型例４］
上部電極１０４ａからの信号引き出しを行う貫通電極を設ける場合、以下のような構成が好適である。図９Ａおよび図９Ｂは、４つのセルの上部電極１０４ａを並列結合した変型例４について説明するための図である。図９Ａは平面図であり、図９Ｂは図９ＡのＡ−Ａ断面図である。
【００７１】
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、変型例４では、４つのセルの上部電極１０４ａを並列結合して中央に貫通電極１０４ａＴを設けている。このような構成により、セルの大きさを大きくすることなく、上部電極１０４ａからの信号引き出しを行う貫通電極を設けることができる。また、このような構成により、各セルの振動特性の対称性を確保することができる。
【００７２】
［変型例５］
上記変型例４では、４つのセルの上部電極のみを並列結合しており、下部電極１０４ｂについてはセル毎に独立させていたが、下部電極１０４ｂも並列結合させるようにしてもよい。図１０Ａおよび図１０Ｂは、４つのセルの上部電極１０４ａと下部電極１０４ｂを並列結合した場合の変型例５について説明するための図である。図１０Ａは平面図であり、図１０Ｂは図１０ＡのＢ−Ｂ断面図である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、変型例５では、４つのセルの下部電極１０４ｂを並列結合し、４つのセルのうち１つのセルにのみ導通部材１０８を開口部１０１ｂ内に設けている。
【００７３】
このような構成により、セルの大きさを大きくすることなく、上部電極１０４ａからの信号引き出しを行う貫通電極を設けることができる。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す変型例５では、４つのセルのうち１つのセルにのみ導通部材１０８を設けていたが、２つ以上のセルに導通部材１０８を設けるようにしてもよい。
【００７４】
［変型例６］
一般に、ｐＭＵＴは狭帯域特性を有する。上記実施の形態にて説明したｐＭＵＴセル１００を用いた超音波トランスデューサーアレイでは、貫通電極を設けない構成によりセル密度を向上させているため、貫通電極を設けた構成と比較して広帯域化されているが、より広帯域化するため、以下の変型例６のような構成を有してもよい。
【００７５】
図１１Ａおよび図１１Ｂは、複数種類の固有振動数を有するｐＭＵＴセルを混在させた場合のｐＭＵＴアレイを例示した平面図であり、図１１Ｃは、狭帯域セルを複合した場合にアレイ全体で広帯域化される様子を示した概念図である。図１１Ａは２チャンネルの１次元アレイの構成例を、図１１Ｂは２チャンネル×２チャンネルの２次元アレイの構成例を、それぞれ示している。図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、複数種類の固有振動数を有するセルが混在して配列されている。
【００７６】
このように複数種類の固有振動数を有するセルを混在させることにより、図１１Ｃに示すように、アレイ全体をより広帯域化させることができるようになる。
【００７７】
［変型例７］
上記説明した実施の形態では、全てのチャンネルに含まれるｐＭＵＴセル１００を超音波の送受信用に用いていたが、送信用のチャンネルと受信用のチャンネルとを別々に設けてもよい。なお、送信用チャンネルに含まれるｐＭＵＴセルは、圧電材料層１０３の誘電率が受信用チャンネルに含まれるｐＭＵＴセルよりも大きくなることが望ましい。具体的には、例えば図６Ｃに示す下部電極１０４ｂを送信用チャンネルに含まれるｐＭＵＴセルと受信用チャンネルに含まれるｐＭＵＴセルとで異なる材料を用いて成膜することで、その上に成膜された圧電材料層１０３の誘電率を送信用チャンネルと受信用チャンネルとで異ならせることができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、ｐＭＵＴを用いて超音波を送受信する超音波トランスデューサーアレイに利用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１  超音波診断装置
１０  超音波診断装置本体
１１  操作入力部
１２  送信部
１３  受信部
１４  画像処理部
１５  表示部
１６  制御部
２０  超音波探触子
２１  保護層
２２  ｐＭＵＴエレメント
２３  バッキング材
２４  信号処理回路
３０  ケーブル
１００  ｐＭＵＴセル
１００Ａ  アクティブセル
１００Ｄ  ダミーセル
１０１  基板
１０１ａ  ＳｉＯ２層
１０１ｂ  開口部
１０２  高ドープシリコン（ＨＤＳｉ）層
１０２ａ  振動板
１０３  圧電材料層
１０４ａ  上部電極
１０４ａＴ  貫通電極
１０４ｂ  下部電極
１０５  ダイアフラム
１０６  絶縁層
１０７  絶縁層
１０８  導通部材
【図１】
2019016912.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2019016912.tif 000010
【図６Ｂ】
2019016912.tif 000011
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
2019016912.tif 000014
【図６Ｆ】
2019016912.tif 000015
【図６Ｇ】
2019016912.tif 000016
【図７Ａ】
2019016912.tif 000017
【図７Ｂ】
2019016912.tif 000018
【図７Ｃ】
2019016912.tif 000019
【図８】
2019016912.tif 000020
【図９Ａ】
2019016912.tif 000021
【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
2019016912.tif 000023
【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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