(57)【要約】【課題】振動の変位に対する変位電流の直線応答性を良くすることにより、感度のさらなる向上を図った超音波探触子、アレイ探触子および超音波探触子の製造方法を提供する。【解決手段】超音波探触子１００は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた下部電極１０２と、下部電極１０２の周囲に設けられたスペーサ１０６と、スペーサ１０６の上面に張られた膜状の上部電極１０７と、上部電極１０７の表面に設けられた保護膜１０８とを備えてなるダイヤフラム構造を有し、下部電極１０２は、振動する上部電極１０７が最も凹んだ形状を取る瞬間に描く曲線に沿った形状を有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、
前記第２の電極は、前記第１の電極が撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有することを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
前記第２の電極は、積層された複数の薄膜からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
【請求項３】
超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、
前記第２の電極は、前記第１の電極がもっとも撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有する超音波探触子をアレイ状に複数配列したことを特徴とするアレイ探触子。
【請求項４】
前記アレイ状に複数配列した超音波探触子は、異なる振動特性を有する複数種の超音波探触子から構成されることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項５】
前記異なる振動特性を有する複数種の超音波探触子は、第１の超音波探触子と、前記第１の超音波探触子の定数倍の固有振動数を有する第２の超音波探触子からなることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項６】
前記異なる振動特性は、前記超音波探触子の上面の面積が異なることにより生じるものであることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項７】
前記異なる振動特性は、前記第１の電極の厚さが異なることにより生じるものであることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項８】
前記異なる振動特性は、前記第１の電極の材料が異なることにより生じるものであることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項９】
前記アレイ状に複数配列した超音波探触子は、前記第２の電極の形状が異なる複数種の超音波探触子からなることを特徴とする請求項３に記載のアレイ探触子。
【請求項１０】
超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、
前記第２の電極は、前記第１の電極がもっとも撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有する超音波探触子の製造方法において、
ドナー基板上に形状の異なる複数の薄膜パターンを形成する第１の工程と、
前記ドナー基板にターゲット基板を対向して配置し、前記ドナー基板と前記ターゲット基板の位置決め、圧接および離間を行い、前記ターゲット基板上に前記複数の薄膜パターンを順次積層して前記第２の電極を形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤフラム構造を有する超音波探触子、アレイ探触子および超音波探触子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波イメージングシステムは、超音波ビームを送信し次いで検査対象から反射したビームを受信するために使用される超音波トランスデューサからなるアレイを備えている。そのアレイは、多くの場合、圧電セラミックスで構成され、印加する電圧の遅延や位相及び振幅や周波数を選択することにより、そのビームに沿って選択したゾーンに収束超音波を送信し、反射波を受信することで像を形成する。
【０００３】
最近ではｃＭＵＴ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）と呼ばれる、圧電セラミックスを用いない静電容量性の超音波探触子デバイスが注目されている（例えば、特許文献１参照）。ｃＭＵＴは、ダイヤフラム構造を有する静電容量センサであり、振動子としての上部電極が、超音波を受信し、その振動の変位を変位電流に変換する。送信に関しては、（１）振動板である上部電極を振動させ音波を送信するように容量性電荷が変調を受ける。ｃＭＵＴは従来の圧電セラミックスを用いた探触子に比べ、高密度集積が可能で（２）送受信の帯域が広い、（３）半導体プロセスとの親和性が高い、などの優れた特徴を有する。
【０００４】
また、上部電極と下部電極間にＤＣバイアス電圧を印加し、振動板である上部電極を静電力で撓ませた状態を意図的に作ることにより、電極の中心部における上部電極と下部電極の距離を小さくしてｃＭＵＴの感度を向上させる技術が報告されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−２１０７１０号公報
【特許文献２】特表２００４−５０３３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の方法では、上部電極が振動する際、上部電極と下部電極との間隔が電極面内の位置により異なるため、超音波を送信する際に印加される電界の分布が電極面内の位置により異なり、電極面内の全体に渡って十分に電界を大きくすることができないために十分な音圧を得られないという問題と、超音波を受信する際に上部電極の振動が非常に微小である場合、上部電極の下部電極側にひきつけられた状態での振動変位と変換する変位電流の関係が線形でなくなる（応答直線性が悪くなる）ことにより、帯域における高周波および低周波部分で、感度が低下するという問題があり、これらの問題により超音波イメージングシステムの画質が低下することは避けられない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、超音波の送信時には均一な電界を上部電極に印加する事で十分な音圧を得ることができ、受信時には微小な振動変位に対する変位電流の直線応答性を良くすることにより良好な受信感度を得ることのできる超音波探触子、アレイ探触子および超音波探触子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、前記第２の電極は、前記第１の電極がもっとも撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有することを特徴とする超音波探触子を提供する。
【０００８】
また、本発明の他の一態様は、上記目的を達成するため、超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、前記第２の電極は、前記第１の電極がもっとも撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有する超音波探触子をアレイ状に複数配列したことを特徴とするアレイ探触子を提供する。
【０００９】
また、本発明の他の一態様は、上記目的を達成するため、超音波の送受信時に振動子として働く第１の電極、前記第１の電極に所定の間隔を有して対向配置された第２の電極、を備えてなるダイヤフラム構造を有し、前記第２の電極は、前記第１の電極がもっとも撓んだ状態で描く曲線に沿った形状を有する超音波探触子の製造方法において、ドナー基板上に形状の異なる複数の薄膜パターンを形成する第１の工程と、前記ドナー基板にターゲット基板を対向して配置し、前記ドナー基板と前記ターゲット基板の位置決め、圧接および離間を行い、前記ターゲット基板上に前記複数の薄膜パターンを順次積層して前記第２の電極を形成する第２の工程と、を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法を提供する。
【００１０】
前記第１の電極は、例えば、Ａｌ等の導電性材料からなり、超音波を送受信する際に振動するために、可撓性を有する。
【００１１】
前記第２の電極は、例えば、Ａｌ等の導電性材料からなる。
【００１２】
前記スペーサは、例えば、多結晶シリコンまたは窒化シリコンからなる。
【００１３】
前記超音波探触子の形成される基板は、例えば、シリコンからなり、プリアンプ回路等の回路を内蔵するものであってもよい。
【００１４】
前記アレイ探触子は、複数の前記超音波探触子をアレイ状に配列したものであり、前記アレイ探触子を超音波送受信装置の１素子（超音波イメージングシステムの１画素を駆動する）として用いる場合は、例えば、前記アレイ探触子は１００個程度の前記超音波探触子から構成される。なお、前記アレイ探触子は複数に限らず、１個の前記超音波探触子から構成されてもよい。
【００１５】
前記超音波探触子は、例えば、医学診断用超音波イメージングシステムや、鋳造物、鍛造物、管路などの材料に対する非破壊検査に用いることができる。また、上記の目的以外であっても、温度センサ、圧力センサ、光学センサなどのダイヤフラム形状を用いるセンサに適応できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＤＣバイアスを付加した場合の静電駆動力が振動板としての上部電極面全体に渡ることで送信音圧が大きく、微小な振動の変位に対する変位電流の直線応答性を良くすることにより、感度のさらなる向上を図った超音波探触子、アレイ探触子および超音波探触子の製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〔第１の実施の形態〕
（超音波探触子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の断面図である。
【００１８】
この超音波探触子１００は、基板１０１と、基板１０１上に設けられた第２の電極としての下部電極１０２と、下部電極１０２の周囲に設けられたスペーサ１０６と、スペーサ１０６の上面に張られた膜状の第１の電極としての上部電極１０７と、上部電極１０７の表面に設けられた保護膜１０８とを備えてなるダイヤフラム構造を有する。
【００１９】
上部電極１０７は超音波の送受信のための振動子としての働きを持つ。図１（ｂ）は、振動する上部電極１０７が、最も凹んだ形状を取る瞬間の断面図である。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、膜電極（１段目）１０３、膜電極（２段目）１０４、膜電極（３段目）１０５を積層して形成される下部電極１０２は、上部電極１０７が最も凹んだ形状を取る瞬間に描く曲線に沿った形状を有する。これにより、上部電極１０７が最も凹んだ形状を取る瞬間に、上部電極１０７と下部電極１０２が、電極面内の全ての位置において、ほぼ同じ間隔を有する。
【００２１】
なお、下部電極１０２を構成する膜電極の層数は３層に限られない。
【００２２】
また、複数の超音波の振動モードが存在する場合は、その各振動モードに対応する上部電極１０７の凹形状に合わせて下部電極の形状を数通り用意しても良い。
【００２３】
以下に、微小構造体の製造方法をドナー基板の作製工程と薄膜パターンの積層工程とに分けて説明する。
【００２４】
（ドナー基板の作製）
まず、基板２０５の上に、例えばポリイミドからなる離型層２０６をスピン塗布により形成する。
【００２５】
次に、離型層２０６の上に、薄膜を形成し、これをパターニングして、基板２０５毎にそれぞれ膜電極（１段目）１０３、膜電極（２段目）１０４、膜電極（３段目）１０５、スペーサ１０６、上部電極１０７の薄膜パターンを作製する。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｅ）は、ドナー基板の上面図である。膜電極（１段目）１０３が形成された基板をドナー基板２００（図２（ａ）参照）、膜電極（２段目）１０４が形成された基板をドナー基板２０１（図２（ｂ）参照）、膜電極（３段目）１０５が形成された基板をドナー基板２０２（図２（ｃ）参照）、スペーサ１０６が形成された基板をドナー基板２０３（図２（ｄ）参照）、上部電極１０７が形成された基板をドナー基板２０４（図２（ｅ）参照）とする。
【００２７】
なお、薄膜パターンの形状は円に限らず、四角形等の他の形状であってもよい。また、薄膜パターンの配置、数量、ドナー基板の大きさ、形状等についても、同図に示したものに限られない。
【００２８】
（薄膜パターンの積層）
図３Ａ（ａ）〜（ｄ）、３Ｂ（ｅ）〜（ｈ）は、薄膜パターンの積層工程を示す断面図である。
【００２９】
ドナー基板２００を真空槽内の図示しない下部ステージ上に配置し、ターゲット基板としての基板１０１を真空槽内の図示しない上部ステージ上に配置する。続いて、真空槽内を排気して高真空状態あるいは超高真空状態にする。次に、図３Ａ（ａ）に示すように、下部ステージおよび上部ステージを相対的にｘ、ｙ、ｚ方向、およびｚ軸周りの回転角度θの方向に移動させて基板１０１をドナー基板２００の膜電極（１段目）１０３上に位置させる。続いて、基板１０１および膜電極（１段目）１０３の表面にアルゴン原子ビームを照射して清浄化する。
【００３０】
次に、図３Ａ（ｂ）に示すように、上部ステージを下降させ、所定の荷重力（例えば、１０ｋｇｆ／ｍｍ２）でドナー基板２００と基板１０１とを所定の時間（例えば、５分間）押圧し、基板１０１と膜電極（１段目）１０３とを常温接合する。
【００３１】
次に、図３Ａ（ｃ）に示すように、上部ステージを上昇させると、膜電極（１段目）１０３が離型層２０６から剥離し、基板１０１側に転写される。これは、膜電極（１段目）１０３と基板１０１との密着力が、膜電極（１段目）１０３と離型層２０６との密着力より十分に大きいからである。
【００３２】
次に、図３Ａ（ｄ）に示すように、下部ステージおよび上部ステージを基板１０１がドナー基板２０１の膜電極（２段目）１０４上に位置するように相対的に移動させ、基板１０１側に転写された膜電極（１段目）１０３の表面および膜電極（２段目）１０４の表面を前述したように清浄化した後、上部ステージを下降させ、膜電極（１段目）１０３と膜電極（２段目）１０４とを接合する。
【００３３】
続けて、図３Ｂ（ｅ）〜（ｈ）に示すように、同様の工程によりドナー基板２０２の膜電極（３段目）１０５、ドナー基板２０３のスペーサ１０６、ドナー基板２０４の上部電極１０７を順次基板１０１側に転写する。
【００３４】
全ての薄膜パターンを基板１０１側に転写させた後、上部電極１０７の表面に減圧ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により保護膜１０８を形成すれば、図１（ａ）、（ｂ）に示す超音波探触子１００が得られる。
【００３５】
なお、下部電極１０２と同様に、スペーサ１０６または上部電極１０７も薄膜を積層することにより形成されるものであってもよい。
【００３６】
また、上部電極１０７の面積が保護膜１０８の面積よりも小さく、保護膜１０８が上部電極１０７の上面および側面を覆うような構成であってもよい。その場合の超音波探触子１００の製造は、例えば、保護膜１０８と上部電極１０７の組み合わせを積層部材として予め用意し、積層することにより行う。
【００３７】
なお、超音波の送受信を行うために、超音波探触子１００をアレイ状に複数並べたものを１つの素子として用いてもよい。その際、上部電極１０７と下部電極１０２との間隔が異なるように下部電極の形状を変えた複数種の超音波探触子を配列することにより、受信する超音波の周波数帯域を拡げることができる。
【００３８】
（第１の実施の形態の効果）
上記第１の実施の形態によれば、下部電極１０２が、上部電極１０７が最も凹んだ形状を取る瞬間に描く曲線に沿った形状を有することにより、上部電極１０７が最大振幅を示す瞬間に、上部電極１０７と下部電極１０２が、電極面内の全ての位置において、ほぼ同じ間隔を有するため、振動の変位に対する変位電流の直線応答性のよい超音波探触子１００を製造することが可能となる。
【００３９】
また、下部電極１０２が、上部電極１０７が最も凹んだ形状を取る瞬間に描く曲線に沿った形状を有することは、上部電極と下部電極の間隔を全体として狭めて静電容量を増加させることにもなるので、超音波の受信感度が向上する効果も得られる。
【００４０】
また、複数の超音波の振動モードが存在する場合は、その各振動モードに対応する上部電極１０７の凹形状に合わせて下部電極の形状を数通り用意することにより、超音波の受信感度をより向上させることができる。
【００４１】
また、下部電極を複数の膜電極を積層して形成することにより、下部電極の形状を容易に制御することができる。
【００４２】
〔第２の実施の形態〕
この第２の実施の形態は、超音波探触子をアレイ状に複数配列して形成するアレイ探触子に関する。なお、超音波探触子の構成および製造方法は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４３】
図４Ａ、図４Ｂは、それぞれ本発明の第２の実施の形態に係るアレイ探触子の上面図および断面図である。図４Ｂは、図４Ａの鎖線Ａ−Ａ’における切断面を図中の矢印の方から見た図である。
【００４４】
アレイ探触子３００は、第１の超音波探触子４００と、第２の超音波探触子５００とを基板３０１上にアレイ状に配列して構成される。第１の超音波探触子４００と第２の超音波探触子５００の構成は、第１の実施の形態に係る超音波探触子１００と同様であるが、第２の超音波探触子５００が第１の超音波探触子４００の２倍の固有振動数を有することにより、２次高調波を受信することができる。
【００４５】
例えば、第２の超音波探触子５００は、第１の超音波探触子４００の約半分の直径を有する円形状を有することで、２倍の固有振動数を有する。
【００４６】
なお、固有振動数を変化させる方法として、上記の面積（円形状であれば直径を制御する）の他に、第２の超音波探触子５００の上部電極５０７の厚さ、または材料を、第１の超音波探触子４００の上部電極４０７と異なるものにすることにより、第２の超音波探触子５００に２次高調波を受信させることができる。
【００４７】
例えば、厚さを変える場合は、上部電極５０７と保護膜５０８の厚さを上部電極４０７と保護膜４０８の厚さ約２倍とし、材料を変える場合は、上部電極５０７の材料を上部電極４０７の約２倍の固有振動数を有する材料を用いる。
【００４８】
なお、上記の上部電極５０７と上部電極４０７の面積を変える方法、厚さを変える方法、材料を変える方法は、組み合わせて用いることができる。
【００４９】
（第２の実施の形態の効果）
上記第２の実施の形態によれば、第１の超音波探触子４００が基本波を受信し、第２の超音波探触子５００が２次高調波を受信することにより、アレイ探触子３００の超音波受信帯域を広げることができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、第２の超音波探触子５００は、２次高調波に限らず、他の周波数を有する超音波に対して高い受信能力を有するものであってもよい。
【００５１】
また、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波探触子の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係るドナー基板の上面図である。
【図３Ａ】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの積層工程を示す断面図である。
【図３Ｂ】（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの積層工程を示す断面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施の形態に係るアレイ探触子の上面図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施の形態に係るアレイ探触子の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００    超音波探触子
１０１、３０１    基板
１０２、４０２、５０２    下部電極
１０３、４０３、５０３    膜電極（１段目）
１０４、４０４、５０４    膜電極（２段目）
１０５、４０５、５０５    膜電極（３段目）
１０６、４０６、５０６    スペーサ
１０７、４０７、５０７    上部電極
１０８、４０８、５０８    保護膜
２００、２０１、２０２、２０３、２０４    ドナー基板
２０５    基板
２０６    離型層
３００    アレイ探触子
３０１    基板
４００    第１の超音波探触子
５００    第２の超音波探触子
【図１】
2007251505.tif 000003
【図２】
2007251505.tif 000004
【図３Ａ】
2007251505.tif 000005
【図３Ｂ】
2007251505.tif 000006
【図４Ａ】
2007251505.tif 000007
【図４Ｂ】
2007251505.tif 000008