(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極が形成される基板と、該基板から離間した位置に設けられて第２の電極が形成されるメンブレンとから成る超音波振動子セルを複数備え、該第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより、該メンブレンが振動して超音波を発生させる、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子であって、
前記各超音波振動子セルの振動が該超音波振動子セルに隣接する超音波振動子セルに伝達することを抑制する振動伝達抑制手段を備え、
前記振動伝達抑制手段は、前記メンブレンを支持するために、前記メンブレンを自由振動させたときに得られる基本振動の節に沿って前記メンブレンの表面に設けられた支持部である
ことを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
前記振動伝達抑制手段は、隣接する前記超音波振動子セルのメンブレン間に設けられた溝部である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記振動伝達抑制手段は、さらに、
前記各超音波振動子セルを、隣接した前記超音波振動子セルから音響的に隔離する音響隔離手段を
有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記音響隔離手段は、前記メンブレンが有する音響インピーダンスの２０％以下の音響インピーダンスを有する
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記音響隔離手段は、空気層単体である
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
【請求項６】
前記音響隔離手段は、気体を含む固体材料である
ことを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
【請求項７】
前記固体材料は、ポーラスシリコンである
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
【請求項８】
前記固体材料は、発泡樹脂材料である
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子。
【請求項９】
前記振動伝達抑制手段によって隔離された各超音波振動子セルのメンブレンの外形形状が円形または多角形である
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項１０】
前記支持部によって前記メンブレンを支持する形状が、前記外形形状と相似形である
ことを特徴とする請求項９に記載の超音波振動子。
【請求項１１】
前記メンブレンのうち前記節の位置より外側部分に負荷手段を備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項１２】
前記超音波振動子において、前記超音波を送受信する側の表面がナノコーティング膜で被覆されている
ことを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の超音波振動子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の超音波振動子を搭載した体腔内超音波診断装置。
【請求項１４】
前記体腔内超音波診断装置は、超音波内視鏡である
ことを特徴とする請求項１３に記載の体腔内超音波診断装置。
【請求項１５】
前記超音波振動子が、内視鏡の鉗子孔に挿入する超音波プローブとして用いられる
ことを特徴とする請求項１３に記載の体腔内超音波診断装置。
【請求項１６】
前記超音波振動子が、血管内超音波プローブとして用いられる
ことを特徴とする請求項１３に記載の体腔内超音波診断装置。
【請求項１７】
前記超音波振動子が、超音波カプセル内視鏡として用いられる
ことを特徴とする請求項１３に記載の体腔内超音波診断装置。
【請求項１８】
第１の電極が形成される基板と、前記基板から離間した位置に設けられ第２の電極が形成されるメンブレンとから成るセルを複数備え、前記第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより、前記メンブレンが振動して超音波を発生させる、マイクロマシンプロセスを用いる超音波振動子の製造方法であって、
前記メンブレンを自由振動させたときに得られる基本振動の節に沿って、前記メンブレンを支持する支持部を設ける
ことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＵＴ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：マイクロマシンプロセスを用いた超音波トランスデューサ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
体腔内壁に向けて超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる機材の１つに超音波内視鏡スコープがある。
【０００３】
超音波内視鏡スコープは、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波プローブが取り付けてあり、この超音波プローブは電気信号を超音波に変換し体腔内へ照射したり、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換したりするものである。
【０００４】
従来、超音波プローブでは、電気信号を超音波に変換させる圧電素子としてセラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきたが、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（以下、ｃＭＵＴと称する））が注目を集めている。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  、超小型電気・機械システム）と総称される素子の１つである。
【０００５】
図１８は、従来のｃＭＵＴアレイの断面図（ａ）及びｃＭＵＴセル（ｂ）を示す。図１８（ａ）においてｃＭＵＴアレイは、溝（トレンチ）部２０９を隔てて、２つの振動子エレメント２１０から構成されている。ここで、振動子エレメントとは駆動制御信号を入出力する最小単位である。この振動子エレメントは複数の振動子セル２０８から構成されている。
【０００６】
振動子エレメント２１０は、シリコン基板２０１、下部電極２０２、メンブレン支持部２０３、キャビティ（空洞部）２０４、メンブレン２０６から構成される。そして、キャビティ（空洞部）２０４を構成する単位を振動子セル２０８という。
【０００７】
図１８（ｂ）は、振動子セル２０８の拡大図である。同図において、シリコン基板２０１に下部電極２０２が形成され、メンブレン２０６がメンブレン支持部２０３によって支持されている。メンブレン２０６上には上部電極２０５が形成されている。メンブレン２０６のうち屈曲振動する部分をメンブレン２０６ａで表す。このメンブレン２０６ａは、その周辺がメンブレン支持部２０３により支持されている。
【０００８】
振動子エレメント２１０の上部電極２０５及び下部電極２０２に電圧を印加すると、各セル２０８のメンブレン２０６ａが同時に屈曲振動して、同位相で一斉に振動する。これにより、超音波が放射される。
【０００９】
なお、溝２０９を設けて、複数のｃＭＵＴセルを連結した振動子エレメント間にクロストークを抑圧する構造となっている。また、超音波散乱体を形成する構成となっている。また、キャビティを形成する過程においてメンブレンに形成される犠牲層除去孔をシールドする構成となっている。
【００１０】
また、近年、医療用に構成したカプセル部を体腔内に送り込んで、体腔内の画像を得るカプセル型の内視鏡が実用化されつつある（例えば、特許文献８。）。この超音波診断医用カプセルでは、超音波プローブで診断が困難な部位の超音波診断が可能になる。
【００１１】
なお、本発明に関連する技術として、以下の特許文献１〜特許文献８、及び非特許文献１がある。
【特許文献１】特開平７−２７４２８７号公報
【特許文献２】特開平８−２７４５７３号公報
【特許文献３】特開２００４−２７４７５６号公報
【特許文献４】米国特許第６２６２９４６号公報
【特許文献５】米国特許第６３２８６９６号公報
【特許文献６】米国特許第６３２８６９７号公報
【特許文献７】特表２００４−５０３３１３号公報
【特許文献８】特開２００４−３５０７０５号公報
【非特許文献１】伊藤毅、「音響工学原論（上巻）」、第１２版、株式会社コロナ社、昭和５５年１２月１０日、Ｐ１４９−Ｐ１５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１９は、従来におけるＭＵＴのメンブレンの屈曲振動を示す。従来のＭＵＴは、各振動子セル２０８のメンブレン２０６が、面方向（２次元方向）に連続的に配設されている。このようなＭＵＴを駆動させてメンブレン２０６を振動させると、密波発生最大屈曲変位２１４及び疎波発生最大屈曲変位２１５で表される屈曲振動を行う。
【００１３】
この場合、各セルのメンブレンは隣接するセルのメンブレンと繋がっているために、メンブレン２０６の屈曲振動が隣接するセルのメンブレンに伝播して、超音波振動の一部が散逸する（図１９では、漏洩波２１２として示されている。）ことにより、出力音圧が低下する。
【００１４】
また、メンブレン２０６をメンブレン支持部２０３によりメンブレン周縁部で固定及び支持している。そのため、メンブレン２０６の屈曲振動の一部が縦波に変換され、メンブレン支持部２０３を経て、半導体基板２０１に縦波として伝播し、超音波振動の一部が散逸する（図１９では、支持部伝播漏洩縦波２１３として示されている。）ことにより、出力音圧が低下する。
【００１５】
このような散逸した振動波２１２，２１３は、隣接した振動子セルから送受される超音波に対して、クロストークとして作用する場合がある。そのため、フェーズドアレイ走査をしたときに、超音波診断像にノイズが発生し、コントラスト分解能を低下させる原因になっていた。
【００１６】
以上の様に、メンブレン２０６をメンブレン支持部２０３によりメンブレン周縁部で支持していたため振動の散逸が起こり、共振先鋭度Ｑが低くなっていた。この先鋭度Ｑの低さが、低超音波出力、広帯域特性に結びついていた。
【００１７】
共振先鋭度Ｑは、振動がロスせず、特定の領域で効率よく持続的に振動が起っている状態（時間軸）がＨｉｇｈＱ振動状態に対応する。即ち振動の散逸を小さくすると、それに伴いＱが高くなる。この共振周波数での振動振幅は非共振周波数での振動振幅のＱ倍になり、メンブレンの振動ロスを低減し、Ｑを大きくすることが振動振幅を大きくし、その結果、大きな超音波送信音圧が得られることになる。
【００１８】
上記の課題に鑑み、メンブレン振動の効率を向上させて、超音波送信効率を向上させた超音波振動子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明にかかる超音波振動子は、第１の電極が形成される基板と、該基板から離間した位置に設けられて第２の電極が形成されるメンブレンとから成る超音波振動子セルを複数備え、該第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより、該メンブレンが振動して超音波を発生させる、マイクロマシンプロセスを用いて製造される超音波振動子であって、前記各超音波振動子セルの振動が該超音波振動子セルに隣接する超音波振動子セルに伝達することを抑制する振動伝達抑制手段を備え、前記振動伝達抑制手段は、前記メンブレンを支持するために、前記メンブレンを自由振動させたときに得られる基本振動の節に沿って前記メンブレンの表面に設けられた支持部であることを特徴とする。
【００２１】
前記超音波振動子において、前記振動伝達抑制手段は、隣接する前記超音波振動子セルのメンブレン間に設けられた溝部であることを特徴とする。
前記超音波振動子において、前記振動伝達抑制手段は、さらに、前記各超音波振動子セルを、隣接した前記超音波振動子セルから音響的に隔離する音響隔離手段を有することを特徴とする。
【００２２】
前記超音波振動子において、前記音響隔離手段は、前記メンブレンが有する音響インピーダンスの２０％以下の音響インピーダンスを有することを特徴とする。
前記超音波振動子において、前記音響隔離手段は、空気層単体であることを特徴とする。
【００２３】
前記超音波振動子において、前記音響隔離手段は、気体を含む固体材料であることを特徴とする。
前記超音波振動子において、前記固体材料は、ポーラスシリコンであることを特徴とする。
【００２４】
前記超音波振動子において、前記固体材料は、発泡樹脂材料であることを特徴とする。
前記超音波振動子において、前記振動伝達抑制手段によって隔離された各超音波振動子セルのメンブレンの外形形状が円形または多角形であることを特徴とする。
【００２５】
前記超音波振動子において、前記支持部によって前記メンブレンを支持する形状が、前記外形形状と相似形であることを特徴とする。
前記超音波振動子において、前記メンブレンのうち前記節の位置より外側部分に負荷手段を備えていることを特徴とする。
【００２６】
前記超音波振動子において、前記超音波振動子において、前記超音波を送受信する側の表面がナノコーティング膜で被覆されていることを特徴とする。
前記超音波振動子は体腔内超音波診断装置に搭載されることを特徴とする。
【００２７】
前記体腔内超音波診断装置は、超音波内視鏡であることを特徴とする。
前記体腔内超音波診断装置において、前記超音波振動子が、内視鏡の篏子孔に挿入する超音波プローブとして用いられることを特徴とする。
【００２８】
前記体腔内超音波診断装置において、前記超音波振動子が、血管内超音波プローブとして用いられることを特徴とする。
前記体腔内超音波診断装置において、前記超音波振動子が、超音波カプセル内視鏡として用いられることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明にかかる、第１の電極が形成される基板と、前記基板から離間した位置に設けられ第２の電極が形成されるメンブレンとから成るセルを複数備え、前記第１及び第２の電極間に電圧が印加されることにより、前記メンブレンが振動して超音波を発生させる、マイクロマシンプロセスを用いる超音波振動子の製造方法は、前記メンブレンを自由振動させたときに得られる基本振動の節に沿って、前記メンブレンを支持する支持部を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明を用いることにより、各セルのメンブレンは、隣接するセルのメンブレンから独立しているので、面方向への振動の散逸を防止することができる。
また、本来振動しないメンブレンの節の部分でメンブレンを支持するので、メンブレンの振動が支持部を介して漏洩することがなくなる（すなわち、メンブレンの振動ロスがなくなる）ために、メンブレンの高振動効率（ＨｉｇｈＱ）が得られることとなる。その結果、超音波送信効率が向上する。
【００３１】
また、メンブレンの振動が支持部を介して漏洩することがないので、従来生じていた、支持部を通して漏れた振動は縦波となって、シリコン基板の裏面で反射し、その反射波が隣接セルの支持部を通って隣接セルのメンブレン振動に変換されるというクロストーク現象を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明にかかるＭＵＴは、半導体基板上に形成したものである。本発明において、印加電圧信号を入印するための下部電極と、接地電極となる上部電極を含むメンブレンとをキャビティを隔てて対向させた単位をＭＵＴ振動子セルとする。このＭＵＴ振動子セルを多数配列して駆動制御信号を入出力するための最小単位とした配列群をＭＵＴ振動子エレメントという。このＭＵＴ振動子エレメントが多数配列されたものをアレイ型振動子という。
【００３３】
このＭＵＴ振動子セルを構成するメンブレンは、隣接するＭＵＴ振動子セル間で全周囲に亘って不連続（各セルのメンブレンが分断され、隣接セルのメンブレンから独立している）となっている。さらに、メンブレンを支持するメンブレン支持部の支持位置を、メンブレンが自由振動したときの節となる位置に沿って設けている。
【００３４】
図１は、本発明にかかるＭＵＴセルの概念図を示す。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は斜視図を示す。ＭＵＴセル１は、同図において、メンブレン３と、メンブレン支持部２とから構成される。
【００３５】
メンブレン３の直径８（振動子最大長）の長さをＬ1、メンブレン支持部間の距離（節円径寸法８）をＬ2で表す。また、メンブレン３の周縁部は、メンブレン３からメンブレン支持部間（節円径寸法８）により特定される円を除いたドーナツ状の領域を示す（以下、メンブレン節点外側部７という）。
【００３６】
メンブレン支持部２は、メンブレン３の直径より小さい同心円状（節円径寸法８を直径とする円）で支持している。この支持位置は、メンブレン３の屈曲振動を拘束せずに、メンブレン３のみで基本振動させた場合（すなわち、メンブレンの端部を固定せずに振動（自由振動）させた場合）、メンブレン３は密波発生最大屈曲変位５及び疎波発生最大屈曲変位６で示すような屈曲振動を行い、振動しない節４が生じる。
【００３７】
この節４は、メンブレン３の基本振動により変位しない部分である。この節４の生じる位置に沿ってメンブレン支持部２を設ける。メンブレン３の円の半径をａで表すと、このメンブレン支持部２は、基本振動の場合、メンブレン３の円の中心から０．６７８ａの位置に沿って設ける（非特許文献１）。
【００３８】
非特許文献１によれば、円形の板の縁が自由な状態にあるものは、振動にあたって同心円形の節線と等間隔に配置する直径節線を生ずる。特に、対称形姿態の場合はＰＯＩＳＳＯＮが１８２９年に解いており、その最低次振動は０．６７８ａ（ａ：円板の半径）の所に節線を生じ、次の姿態は０．３９２ａと０．８４２ａの所に節線を生じる。
【００３９】
このように、各セルのメンブレンが隣接するセルのメンブレンと繋がっていないため、面方向（隣接するメンブレン方向）への振動の散逸が解消される。かつ、基本振動による変位が生じない節４の位置でメンブレンを支持しているため、その振動が半導体基板に縦波として漏洩することを防止できる。
【００４０】
本発明にかかる実施形態について、以下に説明する。
＜第１の実施形態＞
図２は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。静電容量型超音波振動子１１は、表面酸化したシリコン（Ｓｉ）基板１２、メンブレン支持部１３、下部電極１４、上部電極１５、メンブレン１６、キャビティ（空隙部）１７、接地線配線１８、信号線配線孔１９、信号線基板貫通配線２０、信号線電極パッド２１、接地電極パッド２２から構成されている。
【００４１】
本実施形態において、各静電容量型超音波振動子セルは、破線２５で囲まれた単位から構成される。静電容量型超音波振動子１１は複数の静電容量型超音波振動子セル２５から構成されている。
【００４２】
メンブレン１６は、図１で説明したように、節４の生じる位置をメンブレン支持部１３で固定されている。支持位置は、メンブレン１６の半径をａ（ａ：任意の数値）とした場合、メンブレン１６の円の中心から０．６７８ａの位置に設けている。メンブレン１６の上表面には、上部電極１５が配設されている。メンブレン支持部１３は、シリコン基板１２の上表面に設けられている。
【００４３】
メンブレン支持部１３間における表面酸化したシリコン基板１２の表面には下部電極１４が配設されている。シリコン基板１２には、信号線配線孔１９が設けられ、その中に内壁面が絶縁処理された信号線基板貫通配線２０が設けられている。信号線基板貫通配線２０と下部電極１４とは電気的に導通している。信号線基板貫通配線２０の他端は、シリコン基板１２の下面に設けられた信号線電極パッド２１と導通している。これにより、信号線電極パッド２１は、下部電極１４についての半導体基板１２の下面側の端子となる。
【００４４】
接地電極パッド２２は、上部電極１５をＧＮＤに接続するための電極パッドであって、上部電極１５をシリコン基板１６の底面に電気的に導通させるためのものである。キャビティ（空隙部）１７は、メンブレン１６（メンブレン支持部１３を含む）とシリコン基板１２（下部電極１４）とで囲まれた空間のことをいう。
【００４５】
拡散層（オーミックコンタクト）２６を設けることにより、オーミックコンタクト２６と接地電極パッド２２との間の「接触抵抗」が限りなく小さくすることができる。これにより、接地電極パッド２２は、上部電極１５についての半導体基板１２の下面側の端子となる。
【００４６】
また、隣接するセル２５のメンブレン１６間では、メンブレン同士は接触しておらず、隙間（ギャップ）２３が設けられている。また、隣接セル間の隙間２３の下方には、メンブレン支持部１３とメンブレンのつば部分（メンブレン節点外側部７）とで囲まれた空間（隣接セル間空隙部２４）がある。
【００４７】
静電容量型超音波振動子１の動作について説明すると、上部電極１５と下部電極１４の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を０にすると元に戻る。この振動動作によってメンブレン１６が振動した結果、超音波が発生し、上部電極１５の上方向に超音波が照射される。
【００４８】
本実施形態によれば、各セルのメンブレンが隣接するセルのメンブレンと繋がっていないため、面方向（隣接するメンブレン方向）への振動の散逸が解消される。かつ、基本振動による変位が生じない節４の位置でメンブレンを支持しているため、その振動が半導体基板に縦波として漏洩することを防止できる。
【００４９】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、隣接するメンブレンは結合しておらず、隙間が設けられていたが、本実施形態では、その隙間の代わりに、複数の溝を設けた静電容量型超音波振動子について説明する。なお、本実施形態における静電容量型超音波振動子において、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を用いて、その説明を省略する。
【００５０】
図３は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。図３において、図２と異なる部分は、各セルのメンブレン間に隙間が設けられておらず、一続きのメンブレン１６で構成され、図２の隙間に相当する部分に複数の溝（溝列３０）が設けられていることである。なお、図３では、接地線配線１８、信号線配線孔１９、信号線基板貫通配線２０、信号線電極パッド２１、接地電極パッド２２は省略している。
【００５１】
第１の実施形態と同様に、本実施形態においても、メンブレン１６は、メンブレン１６の半径をａとした場合、メンブレン１６の円の中心から０．６７８ａの位置で支持されている。但し、溝の数、深さに対応して、節の位置が移動する場合もあり、この時は、実験的に節の位置を決定する必要がある。
【００５２】
図４は、図３の静電容量型超音波振動子１１の上面図を示す。静電容量型超音波振動子１１は、溝列３０が円状（輪帯溝群）に設けられることにより特定されるメンブレン１６が複数配列している。
【００５３】
符号３１で示す部分は、隣接するセルと最も接近している部分の溝列（以下、隣接セル最近節部溝列部３１という）である。符号３２で示す部分は、隣接３つのセル間に挟まれた領域である。図５で説明するように、この領域は、メンブレンの厚さが不連続に変化した部分であるため、音響インピーダンスが不連続となる。以下、この領域を隣接セル間音響インピーダンス不連続領域３２という。
【００５４】
なお、点線で示した円形３４は、メンブレン支持部１３に支持されている部分に相当する部分であり、説明の都合上表示しているが、本来はメンブレンの下面に設けられており上面方向からは見ることができない。
【００５５】
図５は、図４のＡａ−Ａｂ部分の断面図である。メンブレン１６の下面において、隣接するセル間の間に生じた空隙部を隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１という。メンブレン１６において、この部分４１に対応する部分である隣接セル最近節部溝列部３１は、平坦な面と複数の溝列部３０との組み合わせにより構成されているので、メンブレンの厚さが不連続に変化している。そのため、この部分に相当するメンブレン１６は、音響インピーダンスが不連続となる。
【００５６】
図６は、図４のＢａ−Ｂｂ部分の断面図である。図６において、隣接する溝列３０と溝列３０の間に、隣接セル間音響インピーダンス不連続領域３２がある。両端の溝列部３０により挟まれた部分は、メンブレンの厚みが他の部分より薄くなっている（薄層部３３）。
【００５７】
また、シリコン基板１２において、薄層部３３の位置に相当する部分には貫通孔４２が設けられている。貫通孔４２は、空気の流通のために設けている。この貫通孔４２が無いと、隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１が密閉構造となり、ダンピング効果を持ち、共振先鋭度Ｑを低下させる。
【００５８】
また隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１は、メンブレン１６の振動と同期して薄層部３３が振動するので、隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１が密閉構造だと、薄層部３３の振動に対するダンピングが起こる。このダンピングはメンブレンの振動効率を低下させる原因となる。
【００５９】
そこで、メンブレン振動の効率を上げ、超音波送信効率を上げるために、貫通孔４２を通して隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１内の気体の流通を図ることによって、隣接セル間音響インピーダンス不連続領域下空隙部４１が密閉構造になることを防ぎ、メンブレン１６の高効率振動を促す。
【００６０】
図７は、図４の変形例を示す。図７は、図４の溝列部３０により形成される上面から見た形状を、円形状から六角形状に変更し、その頂点部分にメンブレン膜の途中まで孔の開いた孔４３を設けた構造を示す。この孔４３は、メンブレン１６の厚さの途中まで開口した孔である。孔４３は、応力が集中するのを緩和するために設けられている。なお、溝の形状は、六角形状に限定されず、その他の多角形であってもよい。
【００６１】
本実施形態によれば、音響的隔離手段として、超音波振動子セル間に輪帯溝群を設けることにより、メンブレンに励起された屈曲（板波）がそのセル内に閉じ込められ、隣接するセルのメンブレンに伝播しにくくなるため、面方向への振動の散逸を抑制することができる。また、メンブレン間に隙間がないため、超音波送受面側からの液体の侵入により発生する超音波出力のバラツキを抑制することができる。
【００６２】
＜第３の実施形態＞
図８は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。図８は、図２の静電容量型超音波振動子のメンブレン１６及び上部電極１５の上面を保護膜５０でコーティングしたものである。
【００６３】
保護膜５０として、例えば、パリレン、ポリイミド、テフロン（登録商標）、またはサイトップ等を用いることができる。
この保護膜は、ナノメートルサイズの粒子から構成された膜（ナノコーティング膜）であってもよい。例えば、保護膜（ＮＡＮＯ−Ｘ社製、製品名：ｘ−ｐｒｏｔｅｃｔ  ＤＳ  ３０１０）の成分はシリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）の無機成分、酸素（Ｏ）、及び、その他の有機成分（高分子化合物）から構成され、網目構造となっている。この構造は、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）等の金属アルコキシド化合物を加水分解することで得られる。そして、無機成分の網目構造に絡む様に、基材の有機成分が存在している。この構造は膜全体に網目状に形成されているが、無機成分の網目構造に、有機成分が絡まない領域も製法上出来る。絡んでいないので、網目構造から遊離したナノ粒子として存在することになる。従って、ナノ粒子（これも網目構造をもっている）になるか、膜全体に広がる有機成分が絡んだ網目状構造になるかは、例えば、加熱条件の違いや、加水分解のしかた、ＰＨ調整、等の製造条件を振り分けることにより、ナノコーティング膜の構造を制御することができる。なお、ナノメータサイズの無機化合物成分は、シリコン、チタン、ジルコニウムのいずれか１つ、または複数の成分であってもよい。また、シリコンの酸化物、チタンの酸化物、ジルコニウムの酸化物のいずれか１つ、または複数の成分であってもよい。これらの無機化合物を成分とする保護膜は、耐蝕性、耐湿性を有している。
【００６４】
本実施形態によれば、メンブレン間に隙間を保護膜５０で覆っているため、液体の侵入を抑制することができる。また、本実施形態は、第１〜第２の実施形態のいずれとも組み合わせて利用することができる。
【００６５】
＜第４の実施形態＞
図９は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。図２と異なる部分は、図９では、表面絶縁化処理したシリコン基板（ＳｉＯ2／Ｓｉ）１２の上面に下部電極１４を形成し、その上に絶縁膜６１を形成している。また、隣接セル間空隙部２４と隙間２３は、充填材６０により充填されて、静電容量型超音波振動子１１のメンブレン全体が平坦になっている。
【００６６】
絶縁膜６１は、例えば、ＳｒＴｉＯ3、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3、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、または酸化チタンＴｉＯ2等の高誘電率を有する材料を用いることができる。
【００６７】
充填材６０は、メンブレン１６の振動のＳ／Ｎ比を向上させるために、振動の損失を少なくするために柔軟であって、かつ、メンブレン材料の音響インピーダンスと大きな差異のある材料を用いる。充填材６０には、例えば、発砲樹脂を用いることができる。発砲樹脂は、メンブレン材料に対して大きな音響インピーダンスの差があるものがよい。
【００６８】
発砲樹脂は、例えば、ＳｉＯ2やＳｉＯＦ膜をポーラス化したものを用いることができ、Ｌｏｗ−ｋ（低誘電率層間絶縁膜）塗布膜材料で使用されている。また、発砲樹脂として有機膜を用いる場合、ポリイミド、パリレン、テフロン系のプラズマＣＶＤ膜を用いることができる。なお、弾性率は１／１０以下になる。
【００６９】
また、充填材６０には、ポーラスシリコンを用いてもよい。ポーラスシリコンは、シリコンの板厚方向にナノスケールの径の微細管が無数に形成されているものである。この微細管内は空気等の気体であるため、音響インピーダンスは非常に小さい。
【００７０】
図１０は、図９の変形例である。図１０では、隣接セル間空隙部２４のみを充填材６０で充填し、隙間２３は充填していない。これにより、メンブレン１６を拘束しないため、超音波送受の感度を向上させることができる。
【００７１】
なお、隙間２３の充填材料６０の音響インピーダンスは、メンブレン１６の音響インピーダンスの２０％以下であるのが好ましく、より好ましくは１０％以下である。１０％を超えるとメンブレンの振動効率が３ｄＢ低下し、画像の感度（輝度）に影響を与えると同時に、クロストークを３ｄＢ増加させ、画像コントラストに影響するからである。
【００７２】
本実施形態によれば、超音波振動子セル間におけるメンブレン端部周辺の空隙部を充填材により充填することにより、液体の侵入による発生する超音波出力のバラツキを抑制することができる。また、本実施形態は、第１〜第３の実施形態のいずれとも組み合わせて利用することができる。
【００７３】
＜第５の実施形態＞
本実施形態では、超音波振動子セルの集積密度を向上させたＭＵＴについて説明する。
図１１は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。図１１は、図２のメンブレン１６の周縁部（メンブレン節点外側部７）に質量負荷部７０を設けたものである。メンブレン節点外側部７に質量負荷部７０を配設しているので、節点は質量負荷部７０側へ移動する。その結果、メンブレン節点外側部７の幅は小さくなり、節円径寸法８は大きくなる。
【００７４】
図１２は、図１１の変形例である。図１２は、図３のメンブレン節点外側部７に質量負荷部７０を設けたものである。
本実施形態によれば、メンブレン節点外側部７に質量負荷部７０を配設しているので、節点は質量負荷部７０側へ移動するため、メンブレン節点外側部７の幅は小さくなり、節円径寸法８は大きくなる。その結果、メンブレン節点外側部７の面積（ドーナツ形状）に対するその内側部分（節円径寸法８で表される円）の面積の面積比が大きくなる。
【００７５】
したがって、節円径寸法８で表される円面積が大きくなるため、発生音圧に直接関係する静電容量を増加させることが可能となる。また、メンブレン節点外側部７の面積が減る分、隣接する超音波振動子セル間の間隔を狭めることができ、超音波振動子セルの集積密度を向上させることが可能となる。このことは、超音波画像において感度向上やサイドローブ低減によるＳ／Ｎ向上につながる。また、本実施形態は、第１〜第４の実施形態のいずれとも組み合わせて利用することができる。
【００７６】
＜第６の実施形態＞
本実施形態では、振動時のメンブレンの形状がなるべく平面に近い状態を維持させるため、下部電極の形状を変形させた超音波振動子について説明する。
【００７７】
図１３は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。図１３では、シリコン基板（ＳｉＯ2／Ｓｉ）の上面に下部電極８０を形成し、その上に絶縁膜６１を形成している。
【００７８】
図１４（ａ）は、本実施形態における下部電極８０の上面図を示す。下部電極８０を上面からみると、ドーナツ状形で形成されており、その四方には、隣接する電極と接続するための配線部８１が設けられている。
【００７９】
図１４（ｂ）の符号８２は、下部電極８０に電圧を印加させた場合に振動する上部電極１５の変位の様子を示す。上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方の電極をドーナツ状にすればよいので、下部電極はドーナツ状、上部電極１５は円状のものを用いている。なお、ＧＮＤ側の上部電極は外来ノイズを低減させる効果もあるので、Ｓｉｇｎａｌ側の下部電極をドーナツ電極とするのが好ましい。
【００８０】
図１４（ｂ）で示すように、下部電極８０の電極のない中央部分と、それに対応する上部電極１５の中央部分との間には、静電力が働かないので、その部分の上部電極１５は変形せずに、略平面を保持することができる。
【００８１】
本実施形態をより明確に説明するために、参考として従来の下部電極を図１５に示す。従来の下部電極９０を上面からみると、円形で形成されており、その四方には、隣接する電極と接続するための配線部９１が設けられている（図１５（ａ））。このように従来の下部電極９０は、全面電極となっている。
【００８２】
図１５（ｂ）で示すように、下部電極１４に電圧を印加すれば、上部電極１５の中央部分にも静電力が働くため、上部電極１５の中央部分は平面を保持することができず、符号９２で示すように非線形状に変位する。このように、非線形となる振動は、ハーモニックイメージング等の非線形特性を利用する場合に悪影響を与える。
【００８３】
本実施形態は、第１〜第５の実施形態のいずれとも組み合わせて利用することができる。
本実施形態によれば、下部電極のない部分に対応する上部電極の中央部分は略平面を保持してほとんど変形しないため、印加電圧を大きくすることができ、発生力を大きくとることができる。
【００８４】
＜第７の実施形態＞
本実施形態では、マイクロマシンプロセスを用いたＭＵＴの製造方法について説明する。支持部をメンブレン周縁部より内側に配置し、かつ支持部内部の気密性を保ち、メンブレンの変位量を稼ぐ構成のｃＭＵＴ作製は、大別すると、接合法（バルクマシニング法）とサーフェスマイクロマシニング法の２種類の製法がある。本実施形態では、そのうちの接合法（バルクマシニング法）を用いたｃＭＵＴの製造工程について説明する。
【００８５】
図１６及び図１７では、本実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程について説明する。
まず、Ｎ型シリコン基板１０１（厚さ約１００〜５００μｍ）の表面を酸化膜（ＳｉＯ2）１０２で、マスクする。マスク形成は、Ｗｅｔ酸化法により、厚さ約３０００〜４０００Åの酸化膜を形成する。そして、フォトリソグラフィー工程で下部電極スルーホール電極部１０４を形成するためのパターンニングを行い、エッチング工程でパターンニングした酸化膜を除去する。
【００８６】
次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング）を行うことにより、上記でマスクされていない部分に孔１０３が開く。
【００８７】
次に、酸化膜を形成したシリコン基板１０１の上面、下面、及び孔１０３の内壁表面に電極膜（Ｐｔ／Ｔｉ）を形成する。その電極膜をパターンニング工程及びエッチング工程を経て、下部電極１０５及び配線用電極１０６、電極パッド１０７を形成する（ステップ１工程。以下、ステップを「Ｓ」と称する。）。なお、電極の材質はＰｔ／Ｔｉに限定されず、Ａｕ／Ｃｒ、Ｍｏ，Ｗ、リン青銅、Ａｌなどでもよい。このＳ１工程で作製した構造体をウェハーＡと称する。
【００８８】
次に、別のＳｉ基板１１１を用意し、その一方の面を酸化して、酸化膜ＳｉＯ2（１１２）を形成する。ＩＣＰ−ＲＩＥにより、テーパー形状となるように酸化膜１１２の一部をエッチング（例えば、ＣＶＤ法によるエッチング）する（Ｓ２）。このエッチングにより形成された部分を凹部１１３という。
【００８９】
次に、メンブレン支持部１１４を形成する。Ｓ２と同様に、ＩＣＰ−ＲＩＥによりメンブレン支持部となる部分以外の酸化膜１１２をエッチングする（Ｓ３）。このとき、メンブレンとなる厚み分の酸化膜１１２は残すようにエッチングする。また、２つの凹部１１３で挟まれた酸化膜１１２部分が後にメンブレンとなる部分であるから、メンブレン支持部１１４は、メンブレンの円の中心から０．６７８ａ（ａ：メンブレンの半径）の位置に沿って形成されるようにパターンニングしてエッチングするようにする。
【００９０】
次に、酸化膜表面に電極膜１１５を形成する（Ｓ４）。その後、パターンニングを行って符号１１６で示す部分以外の電極膜をエッチングして除去する（Ｓ５）。これにより配線用電極１１７が形成される。このＳ４工程で生成した構造体をウェハーＢと称する。
【００９１】
次に、ウェハーＡとウェハーＢを接合させる（Ｓ６）。その後、シリコン基板１１１をエッチングして除去し、酸化膜１１２（ＳｉＯ2）を露出させる（Ｓ７）。ここでのエッチングは、例えば、ＴＭＡＨ（ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌＡｍｍｏｎｉｕｍ  ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等を用いて行うことができる。
【００９２】
次に、その露出した酸化膜１１２の上に電極膜１１８を形成し、その上に保護膜（ＳｉＮ）１１９を形成する（Ｓ８）。
このようにして、メンブレンを自由振動させたときに生じる節の位置にメンブレン支持部を設けた超音波振動子を製造することができる。なお、本実施形態では、一例として第１の実施形態のＭＵＴの製造方法について説明したが、その他の実施形態のＭＵＴも同様にマイクロマシンプロセスを用いて製造することができる。
【００９３】
なお、本発明は、以上に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の構成または形状を取ることができる。第１〜第７の実施形態は、相互に組み合わせることが可能である。
【００９４】
また、本発明にかかる超音波振動子は、超音波内視鏡、ミニチュア超音波プローブ、血管内超音波プローブ、または超音波カプセル内視鏡として、体腔内超音波診断装置に搭載することができる。
【００９５】
本発明によれば、各セルのメンブレンは、隣接するセルのメンブレンから独立しているので、面方向への振動の散逸を防止することができる。
また、本発明によれば、本来振動しないメンブレンの節の部分でメンブレンを支持するので、メンブレンの振動が支持部を介して漏洩することがなくなる（すなわち、メンブレンの振動ロスがなくなる）ために、メンブレンの高振動効率（ＨｉｇｈＱ）が得られることとなる。その結果、超音波送信効率が向上する。
【００９６】
また、本発明によれば、メンブレンの振動が支持部を介して漏洩することがないので、従来生じていた、支持部を通して漏れた振動は縦波となって、シリコン基板の裏面で反射し、その反射波が隣接セルの支持部を通って隣接セルのメンブレン振動に変換されるというクロストーク現象を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明にかかるＭＵＴセルの概念図を示す。
【図２】第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図３】第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図４】図３の静電容量型超音波振動子１１の上面図を示す。
【図５】図４のＡａ−Ａｂ部分の断面図である。
【図６】図４のＢａ−Ｂｂ部分の断面図である。
【図７】第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の上面図（変形例）を示す。
【図８】第３の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図９】第４の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図１０】第４の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図（変形例）である。
【図１１】第５の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図１２】第５の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図（変形例）である。
【図１３】第６の実施形態における静電容量型超音波振動子の断面図を示す。
【図１４】第６の実施形態における下部電極を説明するための図である。
【図１５】従来における下部電極を説明するための図である。
【図１６】第７の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程（その１）を示す。
【図１７】第７の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程（その２）を示す。
【図１８】従来のｃＭＵＴアレイの断面図（ａ）及びｃＭＵＴセル（ｂ）を示す。
【図１９】従来におけるＭＵＴのメンブレンの屈曲振動を示す。
【符号の説明】
【００９８】
１      ＭＵＴセル
２      メンブレン支持部
３      メンブレン
４      節
１１    静電容量型超音波振動子
１２    シリコン基板
１３    メンブレン支持部
１４    下部電極
１５    上部電極
１６    メンブレン
１７    キャビティ
１８    接地線配線
１９    信号線配線孔
２０    信号線基板貫通配線
２１    信号線電極パッド
２２    接地電極パッド
３０    溝列
５０    保護膜
６０    充填材
６１    絶縁膜
７０    質量負荷部
【図１】
0004804961.tif 000002
【図７】
0004804961.tif 000003
【図１８】
0004804961.tif 000004
【図１９】
0004804961.tif 000005
【図２】
0004804961.tif 000006
【図３】
0004804961.tif 000007
【図４】
0004804961.tif 000008
【図５】
0004804961.tif 000009
【図６】
0004804961.tif 000010
【図８】
0004804961.tif 000011
【図９】
0004804961.tif 000012
【図１０】
0004804961.tif 000013
【図１１】
0004804961.tif 000014
【図１２】
0004804961.tif 000015
【図１３】
0004804961.tif 000016
【図１４】
0004804961.tif 000017
【図１５】
0004804961.tif 000018
【図１６】
0004804961.tif 000019
【図１７】
0004804961.tif 000020