(57)【要約】【課題】ＤＣバイアスを低減させつつ十分な音圧の超音波を送受信することが可能な超音波振動子セル、超音波振動子エレメント、超音波振動子アレイ及び超音波診断装置を提供する。【解決手段】本発明の超音波振動子セルは、基板と、前記基板上に配設された電荷保持部と、前記電荷保持部上に配設され、信号の入出力に使われる下部電極と、前記下部電極上に空隙部を隔てて配設され、絶縁膜および前記絶縁膜上に配置された上部電極を少なくとも含む振動膜と、を具備することを特徴とする。【選択図】図６
2008118631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配設された電荷保持部と、
前記電荷保持部上に配設され、信号の入出力に使われる下部電極と、
前記下部電極上に空隙部を隔てて配設され、絶縁膜および前記絶縁膜上に配置された上部電極を少なくとも含む振動膜と、
を具備することを特徴とする超音波振動子セル。
【請求項２】
前記電荷保持部は、エレクトレット膜であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子セル。
【請求項３】
前記エレクトレット膜は、
単層の膜または複層の膜であり、シリコン化合物からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項４】
前記エレクトレット膜は、単層の膜または複層の膜であり、ハフニウム酸化物からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項５】
前記エレクトレット膜は、シリコン化合物からなる膜及びハフニウム酸化物からなる膜を積層してなることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項６】
前記下部電極と、前記上部電極との間に、第２のエレクトレット膜が配設されることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項７】
前記基板は電気絶縁性の材料により構成された絶縁性基板であって、
前記絶縁性基板と前記電荷保持部との間に、導電性を有し接地電位とされる接地導電膜が配設されることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子セル。
【請求項８】
前記基板は電気絶縁性の材料により構成された絶縁性基板であって、
前記絶縁性基板と前記電荷保持部との間に、導電性を有し接地電位とされる接地導電膜が配設されることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項９】
前記基板は導電性の材料により構成された導電性基板であって、前記導電性基板は接地電位とされることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子セル。
【請求項１０】
前記基板は導電性の材料により構成された導電性基板であって、前記導電性基板は接地電位とされることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項１１】
前記導電性基板は、シリコン半導体からなることを特徴とする請求項１０に記載の超音波振動子セル。
【請求項１２】
前記導電性基板は、シリコン半導体からなることを特徴とする請求項１１に記載の超音波振動子セル。
【請求項１３】
前記下部電極と、前記空隙部との間に電気絶縁性の保護膜が配設されることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子セル。
【請求項１４】
前記下部電極と、前記空隙部との間に電気絶縁性の保護膜が配設されることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子セル。
【請求項１５】
請求項１に記載の超音波振動子セルを含む超音波振動子エレメント。
【請求項１６】
請求項１５に記載の超音波振動子エレメントを含む超音波振動子アレイ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の超音波振動子アレイを具備することを特徴と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、静電容量型の超音波振動子セル、超音波振動子エレメント、超音波振動子アレイ及び超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子セルは電気信号を超音波に変換して対象物へ送信し、また対象物で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
【０００３】
より具体的には、超音波振動子セルは、空隙部を挟んで対向する一対の平板状の電極（平行平板電極）を具備して構成され、なおかつ前記一対の電極のうち一方の電極は振動膜に含まれ、前記振動膜の振動により超音波の送受信を行う。超音波振動子セルは、超音波の受信時においては、一対の電極間の静電容量の変化を基に超音波信号を電気信号に変換するため、従来型の超音波振動子セルの場合、特に受信時においては一対の電極間にＤＣバイアス電圧を印加する必要があった。
【０００４】
一対の電極間にエレクトレット膜を設けることでＤＣバイアス電圧の印加を不要とした超音波振動子セルが、特開平２−５２５９９号公報に開示されている。
【特許文献１】特開平２−５２５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
超音波振動子セルが送信する超音波の音圧は、一対の電極間の静電容量に依存するものである。特開平２−５２５９９号公報に開示の超音波振動子セルの等価回路図を図１７に示す。特開平２−５２５９９号公報に開示の超音波振動子セルは、一対の電極５０１、５０２間にエレクトレット膜５０３を配設してなる。この場合、一対の電極５０１、５０２間における合成静電容量Ｃ１は、絶縁膜５０６の静電容量Ｃmemと空隙部５０４の静電容量Ｃcavとエレクトレット膜５０３の静電容量Ｃeleとを合成した値となる。
【０００６】
ここで、空隙部５０４の厚さは、絶縁膜５０６の必要振幅により決定されるため、エレクトレット膜５０３の有無に関係なく一定である。このため、エレクトレット膜５０３を電極５０１、５０２間に配設しない場合の、電極５０１、５０２間における合成静電容量Ｃ０は、前記合成静電容量Ｃ１よりも大きい。
【０００７】
言い換えれば、従来の超音波振動子セルの構造では、ＤＣバイアスを低減させつつ、前記静電容量を維持することはできなかった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＣバイアスを低減させつつ十分な音圧の超音波を送受信することが可能な超音波振動子セル、超音波振動子エレメント、超音波振動子アレイ及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】
本発明の超音波振動子セルは、基板と、前記基板上に配設された電荷保持部と、前記電荷保持部上に配設され、信号の入出力に使われる下部電極と、前記下部電極上に空隙部を隔てて配設され、絶縁膜および前記絶縁膜上に配置された上部電極を少なくとも含む振動膜と、を具備することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の超音波振動子セルは、基板と、前記基板上に配設された電荷保持部と、前記電荷保持部上に配設され、信号の入出力に使われる下部電極と、前記下部電極上に空隙部を隔てて配設され、少なくとも、絶縁膜および前記絶縁膜上に配置された上部電極を含む振動膜と、を具備する。この様な構造を有する本発明の超音波振動子セルは、静電容量の低下を抑制しつつ、ＤＣバイアス電圧を低減またはゼロにすることができる。
【００１１】
本発明の超音波振動子セルの用途は特に限定されないが、例えば超音波内視鏡に用いることができる。以下に、本発明の超音波振動子セルを適用しうる超音波内視鏡の例を説明する。ただし、本発明の超音波振動子セルを適用する超音波内視鏡は以下の記載に限定されず、本発明の超音波振動子セルは従来公知の内視鏡に適用されうる。例えば、超音波プローブタイプの超音波内視鏡、またはカプセル型の超音波内視鏡に適用してもよい。
【００１２】
以下、図１から図８を参照して説明する。なお、各構成要素の形状、各構成要素の大きさの比率、または各構成要素の配置位置等、本発明はこれらの図のみに限定されない。図１は超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。図２は超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。図３は超音波振動子アレイの斜視図である。図４は超音波振動子ユニットを超音波の送受方向から見た上面図である。
【００１３】
図１に示すように超音波内視鏡１は、体内に導入される細長の挿入部２と、挿入部２の基端に位置する操作部３と、操作部３の側部から延出するユニバーサルコード４とで主に構成することができる。
【００１４】
例えば、前記ユニバーサルコード４の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ４ａが設けられていてもよい。この内視鏡コネクタ４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル６を延出することができる。
【００１５】
例えば前記挿入部２は、先端側から順に先端硬性部２０、先端硬性部２０の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８、この湾曲部８の後端に位置して前記操作部３の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部９を連設して構成されている。また、前記先端硬性部２０の先端側には詳しくは後述する超音波を送受するための超音波送受部３０が設けられている。先端硬性部の形成材料としては特に限定されないが、樹脂などが挙げられる。
【００１６】
前記操作部３には前記湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１３、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１４等を設けることができる。
【００１７】
図２に示すように、先端硬性部２０には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ（図示せず）、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する対物レンズ２１、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口２２及び送気及び送水を行うための送気送水口（図示せず）が設けられていてもよい。ただし、本発明の超音波振動子セルを適用する先端硬性部は上述の構造に限定されず、本発明の超音波振動子セルは従来公知の構造に適用されうる。
【００１８】
先端硬性部２０の先端に設けられた超音波送受部３０は、図３に示すように、超音波振動子アレイ３１と駆動回路３４とＦＰＣ３５とを具備して構成されていてもよい。ＦＰＣ３５は、可撓性を有し両面に実装面が形成された配線基板であり、超音波送受部３０においては、前記ＦＰＣ３５は先端硬性部２０の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されて配設されていることが好ましい。前記配線基板はフレキシブル配線基板であることが好ましい。
【００１９】
図３に示す例では、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上には、２次元の超音波振動子アレイである超音波振動子アレイ３１が設けられている。超音波振動子アレイ３１は、ＦＰＣ３５の外周面上に周方向に配列された複数の超音波振動子ユニット３２を具備して構成されている。超音波振動子ユニット３２は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。超音波振動子アレイ３１は、の数は特に限定されないが、例えば十数から数百個の超音波振動子ユニット３２により構成することができる。例えば、目的に応じて、１６、３２、４８、６４、１２８、１９２、または２５６などの数を選択することができる。図３における超音波振動子アレイ３１は、３６個の超音波振動子ユニット３２を具備している。
【００２０】
また、超音波振動子ユニット３２は、図４に例示するように、複数の超音波振動子エレメント３３が配列されて構成されていてもよい。ただし、超音波振動子エレメントの配列位置または配列数等は図４のみに限定されない。図４において、超音波振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て正方形状を有しており、該超音波振動子エレメント３３は、超音波振動子ユニットの長手方向に１次元に配列されている。本発明において超音波振動子ユニットの数は特に限定されず、目的に応じて、３６、４８、または６４などの数を選択することができる。
【００２１】
超音波振動子エレメント３３は、詳しくは後述する複数の超音波振動子セル１００により構成されている。同一の超音波振動子エレメント３３においては、超音波振動子セル１００は、全て並列に電気的に接続することが好ましく、超音波観測装置からの駆動信号が入力されることにより、同時に同位相の超音波を送信することができる。すなわち、本実施形態では、一つの超音波振動子エレメント３３が、超音波を送受信するための最小の駆動単位を構成している。図４および図５では、超音波振動子エレメント３３は、４個の超音波振動子セル１００により構成されている。
【００２２】
図４および図５に例示されるように、隣接する超音波振動子ユニット３２間には、個々の超音波振動子ユニット３２を区画する溝部である超音波振動子ユニット境界溝４１を形成することができる。ただし境界溝の形状は図４のみまたは図５のみに限定されない。また、超音波振動子エレメント３３間にも、個々の超音波振動子エレメント３３を区画する溝部である超音波振動子エレメント境界溝４２を形成することができる。このように、最小の駆動単位である超音波振動子エレメント３３の外周に溝部を設けることにより、隣接する超音波振動子エレメント３３間におけるクロストークを低減することが可能となる。
【００２３】
超音波振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の実装面の法線方向、すなわち円筒状であるＦＰＣ３５の径方向外向きに超音波を送信する。したがって、超音波振動子エレメント３３が１次元に配列されて構成された超音波振動子ユニット３２は、１次元の超音波振動子アレイを構成するものであり、該超音波振動子ユニット３２が複数配列されることにより、２次元の超音波振動子アレイである超音波振動子アレイ３１が構成されるの。
【００２４】
一方、円筒状のＦＰＣ３５の内周面上、すなわち超音波振動子アレイ３１が実装された実装面とは反対側の実装面上には、複数の駆動回路３４を実装することができる。駆動回路３４は、超音波振動子エレメント３３を駆動するためのパルサーや選択回路等の電気回路を有し、個々の超音波振動子エレメント３３と電気的に接続することができる。
【００２５】
また、駆動回路３４は、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上に形成された、複数の信号電極３６及び接地電極３７に電気的に接続することができる。なお、信号電極３６は、図３においては一つの電極のように示しているものであるが、信号電極３６は、超音波振動子エレメント３３の数に対応して分割されており、一つの超音波振動子エレメント３３に対し一つの信号電極を配設することができる。
【００２６】
信号電極３６及び接地電極３７は、超音波ケーブル６内を挿通されて一端が超音波コネクタ６ａに電気的に接続された、同軸ケーブルの他端が電気的に接続される。よって、駆動回路３４は、超音波観測装置に電気的に接続される。
【００２７】
上述の構成を有する超音波送受部３０は、円筒形状のＦＰＣ３５の外周面上に配設された２次元の超音波振動子アレイである超音波振動子アレイ３１によって、超音波を先端硬性部２０の挿入軸と直交する平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式ラジアル走査と、超音波を先端硬性部２０の挿入軸を含む平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式セクタ走査とを、同時又は交互に行うことができる。すなわち、上述の超音波内視鏡１は、体内における３次元の超音波走査が可能である。
【００２８】
以下に、本発明の超音波振動子セルの好ましい形態について詳細を記載する。ただし、本発明は以下の実施形態のみに限定されない。
【００２９】
（第１の実施形態）  
図５は、超音波振動子セル１００の上面図である。図６は、図５のVI-VI断面図である。図７は、超音波振動子セル１００の等価回路図である。
【００３０】
なお、以下の積層構造の説明において、各層の上下関係については、基板１０１の表面から法線方向に遠ざかる方向を上方向とする。例えば、図６の断面図において、上部電極１２０は下部電極１１０の上方に配設されている、と称するものとする。また、各層の厚さとは、基板１０１表面の法線に平行な方向についての各層の寸法を指す。また、以下の説明においては、便宜的に、基板１０１の表面のうち、超音波振動子セル１００が形成される面をセル形成面、超音波振動子セル１００が形成される面とは反対側の面を裏面と称する。
【００３１】
超音波振動子セル１００は、空隙部１０７を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極１１０（第１の電極）及び上部電極１２０（第２の電極）を有して構成される。超音波振動子セル１００は、上部電極を含む弾性を有する膜状の構造体である振動膜１００ａの振動により、超音波を送受信するものである。
【００３２】
本実施形態に係る超音波振動子セル１００の構造について、以下に詳細に説明する。
【００３３】
本発明の超音波振動子セルに含まれる基板１０１の材質としては特に限定されず、例えば、導電性の材料によって構成されていてもよいし、絶縁性の材料によって構成されていてもよい。以下、導電性の材料によって構成された基板を導電性基板とも記載し、電気絶縁性の材料により構成された基板を絶縁性基板とも記載する。
【００３４】
前記基板が導電性基板である場合、前記導電性基板を構成する材料としては特に限定されず、従来公知の導電性材料を用いることができ、例えば、シリコン半導体等の導電性材料を用いることができる。
【００３５】
前記基板が導電性基板である場合、電荷保持部が形成されない方の面または両面に絶縁性の膜を配置することもできる。本発明においては、基板表面の電荷保持部側の面に配置される絶縁性の膜を第１絶縁膜と記載し、基板表面の他方の面に配置される絶縁性の膜を裏面絶縁膜と記載する。これらの配置方法は特に限定されないが、例えば、図６の符合１０２、１０９に示すように、第１絶縁膜１０２および裏面絶縁膜１０９を配置することができる。第１絶縁膜または裏面絶縁膜の材質としては特に限定されず、従来公知の絶縁性材料を用いることができ、例えば、シリコン酸化物、石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、または樹脂等の絶縁性材料を用いることができる。特に、基板１０１としてシリコン半導体を用い、第１絶縁膜１０２および裏面絶縁膜１０９としてシリコン酸化物を用いる場合、シリコン基板１０１を熱酸化処理することにより両面にシリコン酸化物の膜を形成することができる。
【００３６】
前記基板が絶縁性基板である場合、前記絶縁性基板を構成する材料としては特に限定されず、従来公知の絶縁性材料を用いることができ、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、または樹脂等の絶縁性材料を用いることができる。
【００３７】
基板１０１の形状または厚みについては特に限定はされず、目的に応じて適切な形状を適宜選択することができる。
【００３８】
基板１０１のセル形成面上、すなわち第１絶縁膜１０２上には、電荷を保持する電荷保持部が形成されている。電荷保持部の形状は特に限定されないが、円形状であることが好ましい。
【００３９】
電荷保持部としては特に限定されないが、エレクトレットを含むエレクトレット膜であることが好ましい。
【００４０】
本発明において、エレクトレット膜の形成方法は特に限定されないが、例えば、プラズマＣＶＤ法等により形成されたシリコン酸化膜を、コロナ放電により帯電させることで形成することができる。
【００４１】
なお、電荷保持部１３０としてエレクトレット膜を用いる場合には、エレクトレット膜はＳｉＯ２、もしくはＳｉＮ等のシリコン化合物、または、ＨｆＯ２、もしくはＨｆＡｌ２Ｏ５等のハフニウム酸化物により構成されてもよい。これらの化合物および酸化物は絶縁性に優れる。エレクトレット膜として、絶縁性の高いシリコン化合物やハフニウム酸化物を用いることにより、電荷をエレクトレット膜の深い準位のトラップに固定することができ、長期にわたって安定した電位を得ることが可能となる。
【００４２】
電荷保持部としてエレクトレット膜を用いる場合、図８に例示するように、導電性の基板１０１上に直接、電荷保持部１３０ａを形成した場合、電荷保持部１３０ａと基板１０１界面近傍に電荷が保持される。これにより、より安定した電荷の保持が可能となる。
【００４３】
電荷保持部１３０上には、下部電極１１０が形成されている。下部電極の形状は特に限定されないが、電荷保持部１３０と同形状であることが好ましく、より好ましくは円形状である。
【００４４】
下部電極１１０の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成することができる。
【００４５】
下部電極１１０の材質としては特に限定されないが、アルミニウム、銅、モリブデン、タングステン、チタン、タンタル、またはこれらの合金であることが好ましい。これらの中で、アルミニウム、または銅は原価特性に優れるという利点を有し、タングステン、チタン、タンタル、またはこれらの合金は高融点金属であることから、超音波振動子セルの製造工程に高温処理工程を採用することができるという利点を有する。
【００４６】
以下に、実施形態１の超音波振動子セルを超音波振動子エレメントに適用した際の、配置位置や、超音波振動子エレメントに含まれる構成要素についての説明を、実施形態１の説明に交えて記載するが、本発明は以下の記載のみに限定されない。
【００４７】
図６に例示されるように、下部電極１１０は下部電極配線１１１を通じて、外部からの電気信号を受信したり、下部電極からの電気信号を伝えたりする信号電極パッド１１３と電気的に接続されていてもよい。図５では、下部電極１１０は、上方から見て隣接する４つの下部電極１１０同士が、Ｘ字形状の下部電極配線１１１により電気的に接続されている。
【００４８】
上方から見てＸ字形状の下部電極配線１１１の、配線の交差部には、基板１０１を貫通して形成されたウェハ貫通電極１１２が、超音波振動子エレメント３３単位に設けられている。ウェハ貫通電極１１２は、絶縁部１０６により基板１０１とは電気的に絶縁されており、裏面絶縁膜１０９上に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されていてもよい。すなわち、下部電極１１０は、下部電極配線１１１、ウェハ貫通電極１１２を介して、基板１０１の裏面に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されていてもよい。
【００４９】
下部電極１１０上には、空隙部１０７越しに振動膜１００ａが配置されている。振動膜は、少なくとも第２絶縁膜１０４および前記第２絶縁膜１０４上に配置された上部電極１２０を含むが、図６に例示するように、上部電極保護膜１０５を含んでいてもよい。上述の基板１０１表面に形成される絶縁膜と区別するために、以下、振動膜に含まれる絶縁膜を第２絶縁膜とも記載する。
【００５０】
第２絶縁膜１０４を構成する材料は特に限定されず、従来公知の電気絶縁性の材料を用いることができ、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物、石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、または樹脂等の絶縁性材料が挙げられる。第２絶縁膜１０４の製造方法としては特に限定されないが、例えば、ＬＰＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００５１】
上述したように、下部電極１１０と、振動膜１００ａとの間には空隙部が配置されている。空隙部の内圧は特に限定されず大気圧であってもよいし、減圧状態であってもよいし、真空状態であってもよい。
【００５２】
空隙部の形状は特に限定されず、観察時に使用する超音波の波長や出力により適宜決定され、例えば、円柱状、六角柱状、または四角柱状などの形状であってもよい。
【００５３】
空隙部１０７の形成方法は特に限定されず、公知の技術である犠牲層エッチングにより形成することができる。犠牲層エッチングを利用した場合、空隙部１０７内と第２絶縁膜１０４の上層とを連通するための犠牲層除去孔が形成されるが、前記犠牲層除去孔は、図６に例示するようにプラグ１０８により封止されていることが好ましい。犠牲増除去孔の形成数または形成箇所は特に限定されず、空隙部の形状などにより適宜決定することができる。例えば、図５では犠牲層除去孔は空隙部１０７の外周部の３箇所に形成されている。なお、空隙部１０７は、微細加工後のウェハ同士を接合する方法で形成されるものであってもよい。
【００５４】
上部電極１２０は、上方から見て下部電極１１０と同心上、すなわち下部電極１１０と対向する位置に設けられていることが好ましい。
【００５５】
上部電極１２０の形成方法としては特に限定されないが、例えばスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成することができる。
【００５６】
上部電極１２０は、上方から見て隣接する４つの上部電極１２０同士が、Ｘ字形状の上部電極配線１２１により電気的に接続することができる。ここで、上部電極配線１２１は、上述した下部電極配線１１１と、上方から見て重なる部分とが最小となるように配設することが好ましい。このように、下部電極配線１１１と上部電極配線１２１とを、互いに重なる部分を最小にするように配置することにより、配線部における寄生容量の発生を防止することができる。
【００５７】
上部電極を構成ずる材料としては特に限定されず、従来公知の導電性材料を用いることができ、例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、またはＴａ等の導電性材料を用いることができる。また、上部電極１２０は１種の導電性材料のみからなってもよいし、２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。
【００５８】
図５および図６に例示するように、上方から見てＸ字形状の上部電極配線１２１の配線の交差部は、超音波振動子ユニット境界溝４１上に形成されていることが好ましい。該超音波振動子ユニット境界溝４１は、第２絶縁膜１０４の振動膜支持部１０４ａを貫通して基板１０１に到達する深さで形成されていることが好ましい。超音波振動子ユニット境界溝４１内には、上部電極１２０及び上部電極配線１２１と同一の工程により貫通電極１２２が成膜されており、貫通電極１２２は、基板１０１にオーミックコンタクト領域１２２ａを介して電気的に接続されていることが好ましい。
【００５９】
また、裏面絶縁膜１０９上には接地電極パッド１２３が形成されており、接地電極パッド１２３は、オーミックコンタクト領域１２３ａを介して基板１０１に電気的に接続されていることが好ましい。すなわち、上部電極１２０は、上部電極配線１２１、貫通電極１２２、基板１０１を介して、基板１０１の裏面に形成された接地電極パッド１２３に電気的に接続されていることが好ましい。
【００６０】
上部保護膜１０５の形成方法としては特に限定されないが、例えばプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００６１】
上部保護膜１０５を構成する材料としては特に限定されず、例えば、シリコン窒化物、シリコン酸化膜、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、またはハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等により構成されてもよい。特に、ＨｆＮまたはＨｆＯＮは、高密度の膜が得られるため保護膜として好ましい。
【００６２】
また、図示しないが、上部保護膜１０５上には、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性及び電気絶縁性に優れた膜を成膜してもよく、より具体的にはパラキシレン系樹脂からなる膜を成膜してもよい。
【００６３】
上述の超音波振動子セルを形成する方法としては、特に限定されないが、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）プロセスを利用して作成することができる。ＭＥＭＳプロセスにより作成された、超音波振動子は、一般的にｃ−ＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と呼ばれる。ＭＥＭＳプロセスを利用した場合、鉛を使用せずに超音波振動子セル、または超音波振動子エレメントを作製することができる。
【００６４】
上述した構成を有する超音波振動子セル１００を有する超音波振動子エレメント３１は、例えば半田接合、異方性導電フィルム接合、超音波接合等の公知の工法によりＦＰＣ３５上に実装されることが好ましい。超音波振動子セル１００は、信号電極パッド１１３及び接地電極パッド１２３を介して、ＦＰＣ３５の反対側に実装された駆動回路３４に電気的に接続されることが好ましい。
【００６５】
すなわち、信号電極パッド１１３を介して、下部電極１１０と駆動回路３４との間で電圧信号である駆動信号及び受信信号の送受がなされることが好ましい。また、接地電極パッド１２３は、接地電位とされ、上部電極１２０は、基板１０１及び接地電極パッド１２３を介して接地電位に接続されることが好ましい。
【００６６】
このように、超音波振動子セル１００に含まれる基板１０１を導電性のシリコンで形成し、接地電位とすることにより裏面側から飛来するノイズを遮蔽し、よりＳ／Ｎ比の高い超音波画像を得ることが可能となる。
【００６７】
また、超音波振動子セル１００の裏面側に信号電極パッド１１３及び接地電極パッド１２３を設けることにより、実装面積を減少させることができる。
【００６８】
上述した構成を有する超音波振動子セル１００においては、下部電極１１０に直列に電気的に接続された電荷保持部１３０に保持された電荷によって、一対の電極である下部電極１１０及び上部電極１２０間には、常に電位差が生じることとなる。すなわち、超音波振動子セル１００は、下部電極１１０及び上部電極１２０間にＤＣバイアス電圧が印加された状態と電気的に同等となるのであり、従来よりもＤＣバイアス電圧を低減するか、またはＤＣバイアス電圧を外部から印加することなく、超音波の送受信を行うことが可能となる。すなわち、超音波振動子セル１００を駆動する信号の電圧実効値を低くすることが可能となる。よって、超音波振動子セルのようにＤＣバイアス電圧を印加するための回路や配線を必要とせず装置の小型化を図ることができる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、駆動信号の電圧実効値を低く抑えられるため、駆動回路や配線を流れる電流値が小さくなり、消費電力を低くすることが可能である。このことは、駆動回路の更なる小型化を可能とし、また駆動回路の発熱による超音波振動子セルの特性変動を防止することが可能となる。
【００７０】
また、上述した構成を有する超音波振動子セル１００の下部電極１１０と上部電極１２０との間における合成静電容量Ｃtは、図７に示すように、第２絶縁膜１０４の静電容量Ｃmemと、空隙部１０７の静電容量Ｃcavとを直列に接続したものとなる。
【００７１】
すなわち、本実施形態では、電荷保持部１３０を下部電極１１０と上部電極１２０との間に介在させる必要がないため、従来のように電荷保持部１３０を配設することによって電極間距離を広げてしまい該電極間における静電容量の低下を抑制することができる。
【００７２】
したがって、本実施形態によれば、従来に比して、対向する電極間における静電容量を高くすることが可能となり、より高い送信超音波の音圧が得られるため、感度の高い超音波振動子セルを得ることができる。
【００７３】
以上のように、本実施形態によれば、ＤＣバイアス電圧を低減するか、またはＤＣバイアス電圧を印加することなく超音波の送受信が可能であり、かつ感度の高い超音波振動子セルを得ることが可能である。
【００７４】
また、上述の構造の場合、超音波振動子セル１００を駆動するための駆動信号は、超音波振動子セル１００の下層側、すなわち観察対象に対して超音波を送受する方向とは反対側に位置する下部電極１１０に印加される。ここで、該下部電極１１０に比してより観察対象に近い位置に配設されている上部電極２００は、接地電位に接続されている。すなわち、本実施形態の超音波振動子セル１００の外周部には、接地電位に接続された導電層のみが配設され、駆動信号が印加される導電層は超音波振動子セル１００の内部側にのみ配設されている。よって、駆動信号が印加される導電層と、外部との電気的絶縁の確保が確実かつ容易となる。これに加えて、超音波振動子セルによっては前述のように実効値の高いＤＣバイアス電圧を印加するための配線等が不要であるため、例えば、超音波振動子セル１００を被覆するための保護膜の膜厚を薄くすることが可能となり、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００７５】
また、本実施形態の超音波振動子セル１００を具備した超音波内視鏡１によれば、高空間分解能の超音波診断画像が得られる。
【００７６】
なお、上述の実施形態においては、超音波振動子セル１００を駆動するための駆動回路３４は、超音波振動子セル１００とは別に形成されてＦＰＣ３５に実装されるものであるが、本発明はこの形態に限られるものではない。
【００７７】
上述したように本発明の超音波振動子セルに含まれる基板をシリコン半導体基板にすることができるが、超音波振動子セル１００を駆動するための電子回路の少なくとも一部を、シリコン半導体基板上にモノリシックに形成することが可能である。このように駆動回路を基板１０１上に形成することにより、駆動回路を別途実装する工程を無くすことができ、工程数の短縮化を図ることもできる。また、駆動回路と超音波振動子セル１００との電気的接続の信頼性を向上させることが可能である。
【００７８】
（第２の実施形態）  
以下、本発明の第２の実施形態について、図９を参照して説明する。図９は、第２の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、電荷保持部の構成のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【００７９】
電荷保持部無機材料からなるエレクトレット膜を用いた場合、電荷は、格子欠陥やダングリングボンド等の原子の結合の欠陥部に捕獲される。すなわち、エレクトレット膜の格子欠陥もしくはダングリングボンドの密度を上げることにより、エレクトレット膜に保持される電荷量を高めることが可能となる。
【００８０】
そこで、本実施形態においては、エレクトレット膜を２層以上に積層した複層構造とした。エレクトレット膜を２層以上積層する場合、それぞれ同じ種類のエレクトレット膜を積層してもよいし、異なる種類のエレクトレット膜を積層してもよい。より具体的には、シリコン化合物からなるエレクトレット膜を積層してもよいし、ハフニウム酸化物からなるエレクトレット膜を積層してもよいし、シリコン化合物からなるエレクトレット膜とハフニウム酸化物からなるエレクトレット膜とを積層してもよい。シリコン化合物またはハフニウム酸化物の好ましい例は、上述の第２の実施形態の項に記載したとおりである。図９に例示されるエレクトレット膜は、ＳｉＯ２膜１３０ｂとＳｉＮ膜１３０ｃとを積層して形成することにより構成されている。
【００８１】
一般に、材料表面にはダングリングボンドが高密度に存在するものであるが、例えば材料表面が気体にさらされている場合には、保持された電荷は気体に存在する外来イオンにより中和されてしてしまう。ところが、本実施形態のように、エレクトレット膜を積層構造とすることにより、各層の界面に保持された電荷は、外来イオンの影響を受けにくくなる。
【００８２】
したがって、本実施形態によれば、エレクトレット膜を単層で構成した場合に比して、エレクトレット膜を複層の積層構造とすることにより、より多い電荷をより長期に亘って安定して保持することが可能となる。
【００８３】
なお、積層構造を有するエレクトレット膜を構成する膜の材料の組み合わせは、上述の形態に限られるものではなく、例えば、ＳｉＯ２膜およびＨｆＯ２膜、ＨｆＡｌ２Ｏ５膜およびＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜およびＨｆＡｌ２Ｏ５膜、または、ＳｉＮおよびＨｆＯ２膜の組み合わせ等、シリコン化合物とハフニウム酸化物との組み合わせにより構成されてもよい。このように、エレクトレット膜として、絶縁性の高いシリコン化合物やハフニウム酸化物を用いることにより、電荷をエレクトレット膜の深い準位のトラップに固定することができ、長期にわたって安定した電位を得ることが可能となり、超音波振動子セルの動作の信頼性を向上させることが可能である。
【００８４】
本実施形態のその他の効果は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００８５】
（第３の実施形態）  
以下、本発明の第３の実施形態について、図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。第３の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、エレクトレット膜の構成のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【００８６】
本実施形態では、図１０に示すように、基板１０１上に形成された誘電体膜３３１中に、フロート状に誘電体膜３３１とは異なる材料からなる電荷保持膜３３２を埋設することにより、エレクトレット膜３３０を形成している。
【００８７】
誘電体膜３３１中に埋設される電荷保持膜３３２を構成する材質としては特に限定されないが、例えばＷ、Ｍｏ、もしくはＴａ等の金属、ポリシリコンもしくはアモルファスシリコンか等の半導体、または、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２もしくはＨｆＯ２等の誘電体膜が挙げられる。本実施形態においても、第２の実施形態と同様にエレクトレット膜を単層で構成した場合に比して、エレクトレット膜は、より多い電荷をより長期に亘って安定して保持することが可能となり、超音波振動子セルの動作の信頼性を向上させることが可能である。
【００８８】
本実施形態のその他の効果は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００８９】
（第４の実施形態）  
以下、本発明の第４の実施形態について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１は、第４の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。図１２は第４の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。第４の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、超音波振動子セルの積層構造のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【００９０】
本実施形態の超音波振動子セルでは、下部電極１１０に上接して、該下部電極１１０を被覆するように、電気絶縁性を有する下部保護膜１０３が形成されている。下部保護膜１０３を構成する材料としては特に限定されないが、シリコン窒化物、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）またはハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）などが挙げられる。特に、ＨｆＮ及びＨｆＯＮは、高密度の膜が得られるため膜厚を薄くすることが可能となり、下部保護膜１０３を設けることによる空隙部１０７及び上下の電極間の距離に与える影響を抑えることが可能である。したがって、下部保護膜１０３を配設することによる、上部電極１２０と下部電極１１０との間における合成静電容量Ｃt４の低下量を最小限に抑制することが可能となる。
【００９１】
下部保護膜１０３の形成方法としては特に限定されないが、例えばプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
【００９２】
本実施形態のように、下部電極１１０上にも下部保護膜１０３を配設することにより、下部電極１１０が、下部電極１１０形成後に実施される超音波振動子セルの製造工程における犠牲層エッチングや熱処理等によりダメージを受けることを抑制することができる。
【００９３】
したがって、本実施形態によれば、超音波振動子アレイ３１を構成する全ての超音波振動子セルにおける、下部電極１１０の膜質及び膜厚を均一に形成することが可能である。よって、各超音波振動子セルの送信超音波の周波数や音圧等の特性を均一にすることが可能となり、より高空間分解能の超音波診断画像を得ることが可能となる。
【００９４】
本実施形態のその他の効果は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００９５】
（第５の実施形態）  
以下、本発明の第５の実施形態について、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３は、第５の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。図１４は第５の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。第５の実施形態では、第４の実施形態の構成に対し、エレクトレット膜の配置と数のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【００９６】
本実施形態の超音波振動子セルでは、下部電極１１０の下層に配設された電荷保持部１３０に加えて、別の第２のエレクトレット膜３３３が、下部電極１１０と、上部電極１２０との間に配置されている。より具体的には、本実施形態では、第２のエレクトレット膜３３３を、空隙部１０７と下部電極１１０との間に配置するか、第２絶縁膜１０４と空隙部１０７との間に配置するか、上部電極１２０と第２絶縁膜１０４との間に配置することができる。図１３では空隙部１０７と第２絶縁膜１０４との間に第２のエレクトレット膜３３３が配設されている。ここで、第２のエレクトレット膜３３３の分極の極性の方向は、電荷保持部１３０に保持された電荷を打ち消すことがないように設定されている。
【００９７】
本実施形態のように、第二のエレクトレット膜３３３を配設することにより、より多くの電荷を保持することが可能となり、下部電極１１０及び上部電極１２０間における電位差をより大きくすることができる。すなわち、下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加するＤＣバイアス電圧をより高めた状態と電気的に同等となり、超音波振動子セルの超音波の送受信感度をより高めることが可能となる。
【００９８】
本実施形態のその他の効果は第４の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００９９】
（第６の実施形態）  
以下、本発明の第６の実施形態について、図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は、第６の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。図１６は第５の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。第６の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、超音波振動子セルが形成される基板の材料が異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【０１００】
本実施形態では、基板１５０は絶縁性の材料により構成された絶縁性基板であり、基板１５０と電荷保持部１３０との間には、接地電位とされる接地導電層１５１が配置される。絶縁性基板に関しては上述の第１の実施形態の項に記載したとおりである。
【０１０１】
この接地導電層１５１上に、第１の実施形態の超音波振動子セル１００と同様の構成が積層される。また、本実施形態の超音波振動子セルは、電気回路的には、導電性材料で構成された基板１０１を、接地導電層１５１として置き換えたものと等価であり、図１６に示すような等価回路となる。
【０１０２】
接地導電層１５１の形成方法としては、特に限定されないが、スパッタリングを用いることができる。
【０１０３】
接地導電層１５１を構成する材料としては特に限定されず、従来公知の導電性材料を用いることができるが、例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、またはＴａなどが挙げられる。なお、接地導電層１５１は、２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。例えば、接地導電層は２層の金属膜からなり、下方側（基板１５０に接する側）の層が、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ又はＳｎのいずれかからなり、上方側の層がＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ又はＴａのいずれかからなる構成であってもよい。
【０１０４】
本実施形態の超音波振動子セルは、絶縁性基板１５０の裏面側がＦＰＣ上に接着剤等により固定された後に、ワイヤボンディング等によりＦＰＣの配線パターンと電気的に接続することができる。これにより、接地導電層１５１及び下部電極１１０は、接地電位及び制御回路３４にそれぞれ電気的に接続される。
【０１０５】
本実施の形態によれば、導電性の基板上に超音波振動子セルを形成する場合に比して、導電性の基板を配線として使用した場合に発生する寄生容量の発生を抑制することができ、より効率よく超音波振動子セルの駆動制御を行うことができる。
【０１０６】
なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波振動子セル、超音波振動子エレメント、超音波振動子アレイ、及び超音波診断装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【０１０７】
例えば、上述の超音波内視鏡は、電子式のラジアル走査及びセクタ走査を行うものとして説明しているが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査等を採用したものであってもよい。また、超音波送受部を、複数の超音波振動子エレメントを１次元に配列した１次元アレイとしたものであってもよい。さらに、本発明は機械式の走査方式の超音波内視鏡にも適用可能であり、上述の超音波振動子エレメントをアレイ状配列した形態のみでなく、単一の超音波振動子エレメントを用いた超音波内視鏡にも本発明を適用することが可能である。
【０１０８】
また、本発明は、先端に超音波送受部を設けた内視鏡のみに限らず、有線、無線の形式を問わず体内に導入される、いわゆる超音波プローブ全般を含む技術分野に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。
【図２】超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。
【図３】超音波振動子アレイの斜視図である。
【図４】超音波振動子ユニットを超音波の送受方向から見た上面図である。
【図５】超音波振動子セルの上面図である。
【図６】図５のVI-VI断面図である。
【図７】超音波振動子セルの等価回路図である。
【図８】第１の実施形態の超音波振動子セルの変形例を示す部分断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。
【図１１】第４の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。
【図１２】第４の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。
【図１３】第５の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。
【図１４】第５の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。
【図１５】第６の実施形態に係る超音波振動子セルの部分断面図である。
【図１６】第６の実施形態に係る超音波振動子セルの等価回路図である。
【図１７】従来の静電容量型トランスデューサの等価回路図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１００  超音波振動子セル、  １００ａ  振動膜、  １０１  基板、  １０２  第１絶縁膜、  １０４  第２絶縁膜、  １０５  上部電極保護膜、  １０７  空隙部、  １０８  プラグ、  １０９  裏面絶縁膜、  １１０  下部電極、  １１１  下部電極配線、  １１２  ウェハ貫通電極、  １１３  信号電極パッド、  １２０  上部電極、  １２１  上部電極配線、  １２２  貫通電極、  １２３  接地電極パッド、  １３０  電荷保持部、  ３４  駆動回路
【図１】
2008118631.tif 000003
【図２】
2008118631.tif 000004
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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