(57)【要約】【課題】  光検出方式を用いた音波センサであって、従来にない全く新規な検出原理の音波センサを提供する。【解決手段】  音波センサ１０は、音波によって変位するメンブレン１１と、光を伝播させるための第１の導波路１６ａと、第１の導波路１６ａを伝播した光が結合しうる光共振器１５と、光結合部１５から結合した光が伝播する第２の導波路１６ｂとにより構成される。メンブレン１１が音波を受信することにより変位すると、第１の導波路１６ａと光共振器１５との光結合係数、あるいは第２の導波路１６ｂと光共振器１５との光結合係数の少なくとも一方が変化し、それに応じた光信号を出力する。【選択図】  図１
2009053031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波センサであって、
該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、
光を伝播させるための導波路と、
該導波路を伝播した光が結合しうる光結合部とを備え、
前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記導波路と前記光結合部との光結合係数に応じた光信号を出力することを特徴とする音波センサ。
【請求項２】
前記光結合部が、光共振器であることを特徴とする請求項１に記載の音波センサ。
【請求項３】
前記音波受信部と前記結合部とが連結しており、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって、前記結合部が変位することを特徴とする請求項１又は２に記載の音波センサ。
【請求項４】
前記音波受信部と前記導波路とが連結しており、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって、前記導波路が変位することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサ。
【請求項５】
音波センサであって、
該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、
光を伝播させるための第１の導波路と、
該第１の導波路を伝播した光が結合しうる光結合部と、
該光結合部から結合した光が伝播する第２の導波路とを備え、
前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変位する、前記第１の導波路と前記光結合部との光結合係数、あるいは前記第２の導波路と前記光結合部との光結合係数の少なくとも一方に応じた光信号を出力することを特徴とする音波センサ。
【請求項６】
音波センサであって、
該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、
光を伝播させるための第１の導波路と、
該第１の導波路から結合した光が伝播する第２の導波路とを備え、
前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記第１の導波路と前記第２の導波路との光結合係数に応じた光信号を出力することを特徴とする音波センサ。
【請求項７】
音波センサであって、
該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、
光を伝播させるための第１の導波路と、
該第１の導波路を伝播した光が結合しうる第１の光共振器と、
前記音波受信部と連結した第２の光共振器とを備え、
前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記第１の光共振器と前記第２の光共振器との相対距離に応じた光信号を出力することを特徴とする音波センサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の音波センサを複数配列した音波センサアレイ。
【請求項９】
超音波を送信するための信号をうけて超音波を発する超音波送信部と、請求項８に記載の音波センサアレイにより構成される超音波探触子と、
前記音波センサアレイにより受信した超音波を画像に変換するための画像処理部を有する超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手段により音波を検出する音波センサに関する。本発明の音波センサは、特に超音波を検出するのに適する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波診断装置には圧電素子を用いた超音波センサを用いるのが一般的であった。しかし、圧電素子を用いた超音波センサでは２次元センサの製造が困難であるという問題がある。
【０００３】
超音波診断装置で画質の良い３次元画像を得るためには、センサアレイをスキャンさせることなく２次元画像を取得できる２次元センサを用いることが好ましい。したがって、圧電素子を用いるもの以外にも様々な検出原理による、種々の構造をもった超音波センサが開発されている。
【０００４】
その中で、光学的手段を用いて超音波を検出する超音波センサとして、以下に示すものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１には、リング共振器が超音波による圧力を受けることによって、当該リング共振器内の屈折率が変化する超音波センサが記載されている。具体的には、リング共振器内部の屈折率が変化すると、共振周波数も変化するので、共振周波数の変化を利用して超音波を検出しようとするものである。
【特許文献１】特開平１０−０４８０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように超音波検出装置を用いた撮像装置としては、検出精度や設計の自由度の更なる向上等の観点から、様々な方法に基づく超音波センサが求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、光検出方式を用いた音波センサであって、従来にない全く新規な検出原理の音波センサ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】
【０００８】
本発明の音波センサは、該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、光を伝播させるための導波路と、該導波路を伝播した光が結合しうる光結合部とを備え、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記導波路と前記光結合部との光結合係数に応じた光信号を出力することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の別の音波センサは、該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、光を伝播させるための第１の導波路と、該第１の導波路を伝播した光が結合しうる光結合部と、該光結合部から結合した光が伝播する第２の導波路とを備え、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変位する、前記第１の導波路と前記光結合部との光結合係数、あるいは前記第２の導波路と前記光結合部との光結合係数の少なくとも一方に応じた光信号を出力することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の別の音波センサは、該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、光を伝播させるための第１の導波路と、該第１の導波路から結合した光が伝播する第２の導波路とを備え、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記第１の導波路と前記第２の導波路との光結合係数に応じた光信号を出力することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の別の音波センサは、該音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部と、光を伝播させるための第１の導波路と、該第１の導波路を伝播した光が結合しうる第１の光共振器と、前記音波受信部と連結した第２の光共振器とを備え、前記音波受信部が音波を受信することにより生じる前記音波受信部の変位によって変化する、前記第１の光共振器と前記第２の光共振器との相対距離に応じた光信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光結合の変化を利用した、従来にない新規な構成の音波センサ及び新規な超音波検出方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。
【００１４】
本発明の音波センサの各実施形態において共通するのは、音波によって変位する可動部を含み構成される音波受信部が、音波を受信する点である。音波により変位する可動部としては、音波センサに支持されたメンブレン（振動膜）が挙げられる。また、メンブレンのように、音波を受信したときにそれ自体が振動可能なものでなく、振動板として剛性の高い物質を用いても、その振動板が音波センサに支持され、音波の受信により可動な構造となっていれば良い。カンチレバーも一例である。可動部をメンブレンとした場合、その音波の圧力によりメンブレンが振動する。このメンブレンの変位を光信号の変化（例えば光強度の変化、あるいは位相の変化）として検出することを特徴とする。
【００１５】
本明細書において音波とは、空気中を伝播する弾性波に限らず、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播するあらゆる弾性波の総称をいう。つまり、人間の可聴周波数を超える周波数の弾性波である超音波をも含む概念である。
【００１６】
したがって、本発明の音波センサは、超音波探触子として超音波診断装置（エコー）などに適用することができる。以下、超音波を検出する超音波センサとして本発明を説明するが、本発明の音波センサの検出原理を考慮すれば、検出可能な音波が超音波に限られないことは明らかである。
【００１７】
（第１実施形態）
まず、本発明の超音波センサの一実施形態を元に、その構成の説明及び検出原理の説明を行う。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかる超音波センサを半分に切断した場合の斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）と同様の構成の超音波センサの断面図である。
【００１８】
超音波センサ１０の基本構成として、基板１３の上に振動膜支持部１２が形成され、振動膜支持部１２は超音波受信部としてのメンブレン１１を支持する。基板１３、振動膜支持部１２、メンブレン１１によって内部にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）１７とする空間が形成される。キャビティ１７内には、光源からの入射光を伝播させるための第１の導波路１６ａ、第１の導波路を伝播した光が結合しうる光結合部としての光共振器１５、この光共振器１５から結合した光が伝播しうる第２の導波路１６ｂが設けられる。光共振器１５は光共振器支持部１４によって振動膜１１の下に固定される。また、導波路１６ａ，１６ｂは、図１（ａ）においては基板１３に埋め込まれた構造であるが、図１（ｂ）においては、導波路支持部１８ａ，１８ｂによって支持されている。
【００１９】
メンブレン１１が超音波を受信すると、その圧力によりメンブレン１１が振動する。本実施形態においては、このメンブレン１１の変位により、光共振器１５と第１の導波路１６ａとの相対距離（ｈ１）、及び光共振器１５と第２の導波路１６ｂとの相対距離が変化する。これにより、第１の導波路１６ａと光共振器１５との光結合係数、及び第２の導波路１６ｂと光共振器１５の光結合係数が変化する。この光結合係数の変化は、検出器によって検出される光の光量または波長に変化をもたらすため、当該光量または波長変化を検出することによって、間接的に超音波を検出することができる。
【００２０】
すなわち、超音波センサ１０は、超音波の受信によって変化する第１の導波路１６ａと光共振器１５との光結合係数、あるいは第２の導波路１６ｂと光共振器１５との光結合係数の少なくとも一方に応じた光信号を出力する。
【００２１】
（検出原理の説明）
上記のような相対距離の変化により、光結合係数が変化することの意味を説明する。図１の超音波センサにおいて、第１の導波路１６ａと光共振器１５との相対距離をｈ１とする。一般に導波路を伝播する光のうち、対向する光共振器に依存する固有の共振波長の波長を持つ光またはその近傍の波長を持つ光は、光共振器と光結合を起こし、光共振器に移る。
【００２２】
光結合する光の割合は、導波路と光共振器との相対距離によって変化し、最も光結合の割合が高くなる相対距離が存在する。最も光結合の割合が高い状態をＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態という。導波路と光共振器との相対距離が、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態である相対距離よりも小さくなる、つまり近づくとＯｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態、相対距離が大きくなる、つまり、遠ざかるとＵｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態となる。
【００２３】
本明細書において「光結合係数」とは、入射した光のうち光結合する光の割合を意味し、光学的な定義は以下である。
光結合係数Ｋ＝透過光振幅／隣の導波路の入射光振幅
なお、光振幅は光パワーの平方根と正比例するため、下記の式も成立する。
Ｋ２＝透過光パワー／隣の導波路の入射光パワー＝結合の透過パワー率
距離ｈ１の変化によって、第１の導波路１６ａを伝播して光源からセンサ１０内に入射した光のうち、光共振器に結合する光の割合が変化する。この作用について、以下説明する。
【００２４】
本発明のメンブレン（振動膜）の変位検出を説明するためのグラフを以下に示す。図２は、導波路の光透過パワー率の位相差依存性を示す図である。縦軸が光透過パワー率（単位：ｄＢ）、横軸が位相差（単位：ｎｍ）である。導波路の光透過パワー率とは、導波路に入射した光のうち光共振器に光結合せず、そのまま導波路を伝播する光の量を示すパラメータである。また、ここで言う位相差とは、光共振器固有の共振波長と光導波路を伝播し超音波センサに入射する光の波長の差を意味する。
【００２５】
図２の作成にあたっては、Ａ．Ｙａｒｉｖ，”Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ  ａｎｄ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．４，２０００に記載の式を用いて、シミュレーションを行った。シミュレーションの条件を以下に示す。
中心周波数（共振波長）１５５０ｎｍ、Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｌｏｓｓ＝０．９９８，
Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｌｏｓｓ＝  ０．９８），
Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｌｏｓｓ＝０．９９８），
Ｏｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｌｏｓｓ＝  ０．９９９）。
【００２６】
Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｌｏｓｓとは、導波路と共振器の間に光結合する際に、周辺の自由空間に発散される光の損失である。Ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｌｏｓｓとは、共振器もしくは導波路の媒体内部に伝播される光の損失である。
【００２７】
光共振器のＩｎｔｅｒｎａｌ  ｌｏｓｓ（内部損失）の大きさにより、導波路と光共振器との結合は、Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ，  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ，およびＯｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの三状態がある。Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの状態では、位相差による光透過パワー率の変化はほとんどない。一方、Ｏｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの状態では、位相差の変化に対して光透過パワー率が最大約−１０ｄＢ程度変化する。Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの状態では、位相差による光透過パワー率の変化は最も敏感であって、１ｎｍの位相差によって、最大約２９ｄＢの光透過パワー率の変化量が発生する。本発明は、このＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇにある透過パワー率対位相差の高敏感特性を用いて、振動膜の変位を検出する。
【００２８】
例えば、光共振器１５と導波路１６ａとの初期間隔ｈ１ｏをＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの位置に設置し、間隔ｈ１の変化（Δｈ１＝ｈ１−ｈ１ｏ）により、振動膜の変位を検出することができる。
【００２９】
図３に、導波路と光共振器の相対距離ｈ１の変化Δｈ１に対する、光透過パワー率の変化を示す。シミュレーション条件は図２と同じである。つまり、共振波長と同じ波長をもつ光が入射した場合である。縦軸が光透過パワー率（単位：ｄＢ）であって、横軸が間隔変化量Δｈ１（単位：ｎｍ）である。図１（ｂ）の中、Δｈ１の変化により、導波路１６と光共振器１５との結合は、Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ，  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ，  およびＯｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの三領域を形成する。初期間隔ｈ１ｏをＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの位置に設置する（即ちΔｈ１＝０の状態）と、光透過パワー率が最小値−２９ｄＢ程度をとる。Δｈ１が負値である領域が、Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ領域である。Δｈ１が正値である領域が、Ｏｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ領域である。Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの位置の付近は一番感度が高く、５ｎｍの変位量により約１７ｄＢの光透過パワー率変化が得られる。
【００３０】
上記のように、初期間隔をＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇの位置に設置した場合で、定性的な説明を簡潔に行う。光検出器は第２の導波路１６ｂに接続されているものとする。
【００３１】
メンブレン１１が超音波を受信していない場合、導波路１６ａと光共振器１５、光共振器１５と導波路１６ｂの関係はＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態となる。その結果、第１の導波路１６ａを伝播している光の一部が、光共振器１５に光結合する。光共振器１５は円盤、リング状などの形状であり、かつ光が光共振器１５の辺縁部に伝播して、光のエネルギーは光共振器１５内部に閉じこめられる。光共振器１５と第２の導波路１６ｂとの相対距離もＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態となっているため、第１の導波路１６ａから光共振器１５に移った光は、第２の導波路１６ｂに光結合し、第２の導波路１６ｂを伝播する。伝播した光が検出器で検出される。
【００３２】
一方、超音波を受信し、メンブレンが変位することで、光共振器１５と導波路１６ａ、１６ｂの相対距離が変化すると、Ｕｎｄｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態またはＯｖｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態となる。その結果、導波路１６ａを伝播し超音波センサ１０内に入射した光のうち、光共振器１５に光結合する光は大幅に減少し、導波路１６ａを伝播したまま超音波センサ１０を出る光が多くなる。したがって、検出器で検出される光量は減ることになる。
【００３３】
このようにして、超音波を検出することができる。すなわち、本実施形態においては、超音波を受信することにより生じるメンブレンの変位によって、第１の導波路１６ａと光共振器１５との光結合係数、及び、第２の導波路１６ｂと光共振器１５との光結合係数が変化する。
【００３４】
検出器の配置は、特に限定されず、第１の導波路１６ａに接続して設けられても良い。その場合は、上記の説明とは逆に、超音波を受信している場合ほど、検出光量が多くなる。
【００３５】
本実施形態は、超音波センサ１０の光学要素として、１つの光共振器と２つの光導波路を設けた例である。これらの位置関係は、同様の原理で検出できるものであれば、図１に示したものに限定されない。例えば、メンブレン１１に固定されるのが第１の導波路１６ａと第２の導波路１６ｂで、基板１３に固定されるのが光共振器１５のような配置でも構わない。しかし、製造プロセスの観点からは、光共振器１５がメンブレンに固定されているほうが好ましい。
【００３６】
（より好ましい条件）
メンブレン１１の変位を確実に検出するため、光共振器支持部１４の位置は、メンブレン１１の振動モードの節を回避する必要がある。振動モードの節から光共振器支持部１４までの距離は、Ｍｏｄｅ  ｓｈａｐｅ波長の１／８以上が望ましいし、Ｍｏｄｅ  ｓｈａｐｅ波長の３／１６以上がより望ましい。前記振動モードの節から、光共振器支持部１４までの距離は、Ｍｏｄｅ  ｓｈａｐｅ波長の１／４の場合に、最大の変位量が発生する。同等の機械環境、外力条件で
Ｍｏｄｅ  ｓｈａｐｅ波長の１／８の場合、最大変位量の７０％位が発生する。同じように、Ｍｏｄｅ  ｓｈａｐｅ波長の３／１６の場合、最大変位量の９０％位が発生する。
【００３７】
さらに、メンブレン１１と光共振器１５との共振を回避するため、光共振器１５の第１共振周波数（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｒ  Ｔｈｅ  １ｓｔ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、メンブレン１１の第２共振周波数より大きいことが望ましい。超音波変換装置の操作帯域は、メンブレン１１の第１共振周波数と第２共振周波数の間であって、光共振器１５の共振周波数は、メンブレン１１の第２周波数より大きくする必要がある。振動膜１１の第３共振周波数より大きいことが最も望ましい。
【００３８】
光共振器１５から導波路１６以外のところへ光結合することを抑制するため、光共振器１５とメンブレン１１との間隔ｈ３は、１倍光波長以上とすることが望ましい。光共振器１５と振動膜支持部１２との間隔ｗ１も、１倍光波長以上とすることが望ましい。導波路１６ａと基板１３との間隔ｈ２も、１倍光波長以上とすることが望ましい。
【００３９】
光エネルギーを閉じこめる効果を高めるため、光共振器１５および導波路１６ａ、１６ｂの材料は高誘電率材料（比誘電率εｒ＞２）であることがより望ましい。微細加工しやすいため、Ｓｉが最も望ましい材料である。光が光共振器支持部１４に漏れないように、光共振器支持部１４の材料は低誘電率材料（比誘電率εｒ＜２）であることが望ましい。微細加工しやすいため、ＳｉＯが最も望ましい材料である。作製プロセスの観点により、ＳｉとＳｉＯを使用することがより望ましい。このため、図１には、斜線領域がＳｉＯである領域で、その以外の領域がＳｉであることを示す。導波路支持部１８ａ、１８ｂは、導波路１６ａ、１６ｂを伝播する光が漏れないようにＳｉＯを使って、基板１３と接続して導波路を固定する。
【００４０】
なお、これらの条件は、他の実施形態においても同様に言えることである。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態には、超音波センサ１０の光学要素として、１つの光共振器と１つの光導波路を設けた例を示す。図４（ａ）〜（ｆ）には、本実施形態として考えられる種々の光学要素の位置関係を示した。
【００４２】
図４（ａ）の導波路１６ａは、光源から入射する光を伝播させるためのものであり、その先には光検出器が設けられる。本実施形態では、超音波を受信することにより生じるメンブレン１１の変位によって、導波路１６ａと光共振器１５との相対距離が変化し、その光結合係数が変化する。この光結合係数の変化は、検出器によって検出される光の光量または波長に変化をもたらすため、超音波を検出することができる。
【００４３】
すなわち、超音波センサ１０は、超音波の受信によって変化する導波路１６ａと光共振器１５との光結合係数（光カップリング係数、光結合の度合い）に応じた光信号を出力する。
【００４４】
図４（ａ）の超音波センサにおいて、導波路１６ａには光源からの光が伝播し、センサ１０内に入射する。メンブレン１１が超音波を受信していない場合、つまり初期間隔ｈ１ｏの場合にＣｒｉｔｉｃａｌ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態であるとすると、導波路１６ａを伝播している光の多くが、光共振器１５に光結合する。光共振器１５は円盤、リング状などの形状であり、かつ光が光共振器１５の辺縁部に伝播して、光のエネルギーは光共振器１５内部に閉じこめられる。よって、検出器で検出される光量は少ない。
【００４５】
一方、メンブレン１１が超音波を受信し、導波路１６ａと光共振器１５の相対距離（ｈ１）が変化すると、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態ではなくなり、導波路１６ａを伝播した光の多くはそのまま光検出器で検出される。
【００４６】
このようにして、超音波を検出することができる。
【００４７】
光共振器１５と導波路１６ａの位置関係は、同様の原理で検出できるものであれば、図４（ａ）に示したものに限定されない。
【００４８】
図４（ｂ）には、導波路１６ａを光共振器１５の側面に設置した例を示す。導波路１６ａの支持部を省略しているが、光が漏れないようにＳｉＯを使って基板１３と接続して、導波路１６ａを固定する。このような位置関係でも、メンブレン１１の変位によって、導波路１６ａと光共振器１５の相対距離が変化する。
【００４９】
この場合、導波路１６ａと光共振器１５の初期相対位置（外力を加えない状態）がＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇに近い状態であることが望ましい。
【００５０】
図４（ｃ）には、導波路１６ａを導波路支持部１８ａと接続して、メンブレン１１に固定した例を示す。光共振器１５は光共振器支持部１４で基板１３に固定する。図４（ａ）と同じ空間配置で、光共振器１５の辺縁部の上に光導波路１６ａを設置する。
【００５１】
この場合、前記図４（ｂ）のように、導波路１６ａと光共振器１５の初期相対位置（外力を加えない状態）がＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇに近い状態であることが望ましい。
【００５２】
図４（ｄ）には、導波路１６ａを導波路支持部１８ａと接続して、メンブレン１１に固定し、光共振器１５の側面に導波路１６ａが配置される例を示した。
【００５３】
この場合、前記図４（ｂ）のように、導波路１６ａと光共振器１５の初期相対位置（外力を加えない状態）がＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇに近い状態であることが望ましい。
【００５４】
図４（ｅ）には、導波路１６ａが導波路クラッド層１８ｃを介してメンブレン１１に埋め込まれている例を示した。導波路１６ａの光閉じ込み効果を得るため、導波路クラッド層１８ｃを設けることが好ましい。導波路１６ａ内の光がメンブレン１１に漏れないように導波路クラッド層１８ｃは導波路１６ａの屈折率より低い材料を使用することにより、光閉じ込み効果を確保することができる。たとえば、導波路１６ａがＳｉである場合、選択性酸化もしくは、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で導波路クラッド層１８ｃをＳｉＯで形成することができる。それで、ＳｉＯの屈折率（１．４６附近）はＳｉ（３．４２附近）より小さいため、その界面が全反射による光閉じ込み効果を確保することができる。光共振器１５は光共振器支持部１４で基板１３に固定される。導波路１６ａがＳｉである場合、導波路クラッド層１８ｃはＳｉＯとすることが望ましい。図４（ｃ）と同じ空間配置で、光共振器１５の辺縁部の上に光導波路１６ａを設置する。
【００５５】
この場合、前記図４（ｂ）のように、導波路１６ａと光共振器１５の初期相対位置（外力を加えない状態）がＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇに近い状態であることが望ましい。
【００５６】
図４（ｆ）には、リング状（もしくは円盤状）の光共振器１５が共振器クラッド層１４ｂを介してメンブレン１１に埋め込まれている例を示した。光共振器１５の光閉じ込み効果を得るため、共振器クラッド層１４ｂを設けることが好ましい。導波路１６ａは導波路支持部１８ａで基板１３に固定される。光共振器１５がＳｉである場合、共振器クラッド層１４ｂはＳｉＯとすることが望ましい。図４（ａ）と同じ空間配置で、光共振器１５の辺縁部の下に光導波路１６ａを設置する。
【００５７】
この場合、前記図４（ｂ）のように、導波路１６ａと光共振器１５の初期相対位置（外力を加えない状態）がＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇに近い状態であることが望ましい。
【００５８】
（第３実施形態）
第３実施形態には、超音波センサ１０の光学要素として、２つの光導波路を設けた例を示す。図５に、本実施形態の超音波センサの断面図を示した。
【００５９】
図５の導波路１６ａは、光源から入射する光を伝播させるため第１の導波路であり、その先には検出器が設けられる。導波路１６ｂは、導波路１６ａから光結合した光が伝播する第２の導波路である。本実施形態では、超音波を受信することにより生じるメンブレン１１の変位によって、導波路１６ａと導波路１６ｂとの相対距離が変化し、その光結合係数が変化する。この光結合係数の変化は、検出器によって検出される光の光量または波長に変化をもたらすため、超音波を検出することができる。
【００６０】
ずなわち、超音波センサ１０は、超音波の受信により変化する第１の導波路１６ａと第２の導波路１６ｂとの光結合係数に応じた光信号を出力する。
【００６１】
導波路１６ａと導波路１６ｂの位置関係及び検出器の配置は、同様の原理で検出できるものであれば、図５に示したものに限定されない。
【００６２】
（第４実施形態）
第４実施形態には、超音波センサ１０の光学要素として、２つの光共振器を設けた例を示す。導波路は、光の検出器との関係によって１つでも２つでも構わない。本実施形態の検出原理は、これまでの第１乃至第３実施形態とは多少異なるため、超音波センサの構成に続いて、検出原理も説明する。
【００６３】
図６に、本実施形態において導波路を１つ設けた超音波センサの断面図を示した。基板１３上の振動膜支持部１２に支持されたメンブレン１１が超音波を受信する。基板１３には、共振器支持部１４ａにより第１の光共振器１５ａが設けられており、その側面には光源から入射する光が伝播する導波路１６が設けられる。導波路１６は光検出器（不図示）に接続されている。第１の光共振器１５ａの上部には、メンブレン１１に共振器支持部１４ｂにより固定された光共振器１５ｂが設けられる。つまり、光共振器１５ｂはメンブレンの変位と共に動けるが、光共振器１５ａは基板１３に固定され、動くことはない。
【００６４】
メンブレン１１の振動により、共振器１５ａと共振器１５ｂの間隔ｇが変化する。光は、光源から導波路１６を経由し、一部の光が光共振器１５ａに結合して、残る光を光検出器で検出する。
【００６５】
本実施形態においては、光結合を起こす光学要素である導波路１６と光共振器１５ａの相対距離が、メンブレンの１１の変位によって変化することはない。しかし、メンブレン１１が超音波を受信し、変位すると、第１の光共振器１５ａと第２の光共振器１５ｂの相対距離ｇが変化するのである。
【００６６】
間隔ｇの変化により、光共振器１５ａの内部に伝播する光速が変わる。間隔ｇが小さくなると、光共振器１５ａの内部に伝播する光速が落ちる。間隔ｇが大きくなると、光共振器１５ａの内部に伝播する光速が上がる。
【００６７】
導波路１６と第１の光共振器１５ａとの関係は、超音波を受信していない初期状態において、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態であるとする。間隔ｇが変化することにより、下部の光共振器１５ａの内部に伝播する光速が変化し、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態が崩れ、Ｏｖｅｒ−ｃｏｕｐｌｉｎｇもしくはＵｎｄｅｒ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ状態に移行する。その結果、導波路１６から出力の光信号が敏感に変化する。要するに、光系の全体Ｃｏｕｐｌｉｎｇ中心周波数が変化（シフト）するのである。
【００６８】
すなわち、超音波センサ１０は、超音波の受信によって変化する、前記第１の光共振器と前記第２の光共振器との相対距離に応じた光信号を出力する。
【００６９】
図７（ａ）に、本実施形態において導波路を２つ設けた超音波センサの断面図を示した。図７（ｂ）は、図７（ａ）の超音波センサのうち、２つの導波路１６ａ、１６ｂと、下部の光共振器１５ａを上部から見た図である。
【００７０】
概略原理は、１本の導波路の場合と同じである。光は、光源から光導波路１６ａを経由し、一部の光が光共振器１５ａに結合して、残る光を光センサで検出する。残る光は、図７（ｂ）の光出力部１で検出する。図７（ｂ）において矢印で示したのが光の進行経路である。導波路１６ｂがなく、１本の導波路の場合は、実線矢印で示した経路でＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇが発生する。ただし、２本の導波路の場合は、破線矢印で示すように、一部の光のエネルギーが２本目の導波路１６ｂに移るので、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ発生の状況が変わる。
【００７１】
第１の導波路１６ａと光共振器１５ａの相対距離をｇ１、第２の導波路１６ｂと光共振器１５ａの相対距離をｇ２とする。特にｇ１とｇ２の値が等しい場合、導波路１６ａのみでＣｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇが起きている場合と比較して、エネルギーの一部が破線矢印のように第２本目導波路に移るので、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇが起きないわけである。
【００７２】
なお、ｇ２とｇ１が違う場合（ｇ２＞ｇ１の場合）、ｇ２を調整して、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇが発生する周波数、およびその間隔ｇ１が変化する。従って、導波路１６ｂの機能は、Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｏｕｐｌｉｎｇが発生する最適な間隔を調整することである。
【００７３】
（超音波センサアレイ）
本発明の超音波センサを利用した超音波センサアレイの一例を図８に示す。超音波センサアレイ３０は、超音波センサ１０を複数配列し、アレイ化したものである。まず光源１からの出射された光が、分光器２に入る。分光器２に入った光は、導波路１６を伝播しそれぞれの超音波センサ１０へ入射する。超音波センサ１０においては、既に説明したように、超音波を受信することで超音波センサ１０内に設けられた光共振器などの光学素子に光結合する度合いが変化する。超音波センサ１０から出た光は、光導波路１６を伝播して分光器３に集まる。超音波センサアレイ２０への光伝送は、分光器２と分光器３で変調する。分光器２、３は制御器５で制御する。分光器３からの検出光は、光センサ４（検出器）で検出する。このような構成で各々の超音波センサのメンブレン変位量を検出することができる。
【００７４】
図８に示した一例は、光共振器と１つの導波路により超音波センサ１０を構成した第２の実施形態を利用するものである。図８では２つの分光器の位置関係上、導波路１６が各超音波センサ１０内で折れ曲がっているように描かれている。しかし、分光器の位置関係に制限はないため、超音波センサ１０を貫通するように導波路１６を設けることも可能である。
【００７５】
２本の光導波路を用いる場合は、超音波センサからの検出用の光導波路が別の光導波路で伝送する。
【００７６】
（超音波撮像装置）
本発明の超音波センサを利用した超音波撮像装置のブロック図を図９に示す。この超音波撮影装置は、超音波探触子９０と、送信回路系９３と、受信回路系９２とを含んでいる。超音波探触子９０は、本発明の超音波センサアレイ３０と超音波送信部９９で構成される。送信回路系９３が発生する駆動信号に基づいて超音波が発生し、超音波送信部９９から被検体に向けて送信する。被検体から反射される超音波を本発明の超音波センサアレイ３０で検出し、検出信号を受信回路部９２へ出力する。送信回路系９３と、受信回路系９２と、変位信号処理系９５と、断層信号処理系９４と、画像処理系９６とはシステム制御部９７で制御する。受信回路系９２には、受信した超音波信号を光信号に変換する光検出素子（検出器）および光源が含まれている。光検出素子で光信号を電気信号に変換して、変位信号処理系９５および上記断層信号処理系９４へ出力する。
【００７７】
断層信号処理系９４は、入力される検出信号を処理し、アナログ信号からディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器が含まれている。この信号処理動作により、検出信号に基づく複数の面データが形成される。
【００７８】
画像処理系９６は、断層信号処理系９４および変位信号系９５から入力される複数の面データに基づいて、２次元データ又は３次元データを再構成する。さらに、補間、レスポンス変調処理、階調処理などの処理を施し、処理されたデータを記憶する。画像表示部９８は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤなどのディスプレイ装置であり、これらの処理を施された画像データに基づいて画像を表示する。
【００７９】
（製造方法）
図１０〜１３には、本発明にかかる超音波センサの製造工程を４つ例示する。
【００８０】
下記のプロセス説明を簡潔にするため、“パターニング”というプロセスは、フォトリソグラフィー法で適切な厚さのフォトレジストを塗布、Ｂａｋｅ、露光、現像して、フォトレジストの下にある下地材料をエッチングする工程、およびその後フォトレジストを除去する工程を含むものとする。
【００８１】
（製造方法１）
図１０は、第１実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す。
【００８２】
まず図１０（ａ）に、Ｄｏｕｂｌｅ  ＳＯＩ基板２１を洗浄して、準備する。Ｄｏｕｂｌｅ  ＳＯＩ基板の概略作製方法を以下説明する。二枚ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のＤｅｖｉｃｅ層を対向に接合して、その後、片面のＨａｎｄｌｉｎｇ層をエッチングし、Ｄｏｕｂｌｅ  ＳＯＩ基板２１が出来上がる（ＫＳＴ  Ｗｏｒｌｄ  Ｃｏｒｐ．）。その中、Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層２３が光共振器１５となるため、光伝播およびプロセス作製によるサイズの調整については、後で詳しく説明する。
【００８３】
Ｍｉｄｄｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ層２２がメンブレン１１となるので、超音波を受信する入力機械Ｉｍｐｅｄａｎｃｅのため、その厚さは約０．２〜５μｍであることが望ましい。第１酸化膜２５が光共振器支持部１４となる。前記の説明によりメンブレンと光共振器との光結合を回避するため、第１酸化膜２５の厚さは、０．２〜４μｍが好ましい。
【００８４】
図１０（ｂ）において、上記図１０（ａ）のＤｏｕｂｌｅ  ＳＯＩ基板を熱酸化して、この後ウェットエッチングで熱酸化膜をパターニングする。次に上記パターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして、Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層のＳｉをドライエッチングでパターニングする。このようなパターニング工程を２回して、図１０（ｂ）に示すように光共振器１５の初期形状２７を形成する。ドライエッチングの選択性とエッチング速度により、前記エッチングマスク用の酸化膜の厚さは、約１０〜３０００ｎｍ程度が望ましいし、約５０〜５００ｎｍが最も望ましい。このエッチングマスクは熱酸化膜に限らず、ＬＰＣＶＤ法（Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、低圧化学蒸気堆積法）、ＰＥＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈｅｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、  プラズマ強化化学蒸気堆積法）で成膜したＳｉｌｉｃｏｎ酸化膜も使える。
【００８５】
光共振器１５の初期形状２７の内部に光が伝播するためには、Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｌｏｓｓの低減により、好ましい抵抗率が１００  Ｏｈｍ−ｃｍ以上、より好ましい抵抗率が１０００  Ｏｈｍ−ｃｍ以上、最も好ましい抵抗率が１００００  Ｏｈｍ−ｃｍ以上である。光共振器１５の初期形状２７の厚さは、約２０〜３０００  ｎｍが望ましいし、約２００〜１０００ｎｍが最も望ましい。
【００８６】
Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層２３は初期形状２７と同じ材料であり、抵抗率も同じであること要求される。光共振器１５と導波路１６との初期間隔と、前記光共振器の初期形状２７の厚さと、または前記エッチングマスク用の熱酸化膜の厚さとの合計は、前記Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層２３の厚さとなる。
【００８７】
前記の説明のように光結合初期状態の設計のため、光共振器１５と導波路１６との初期間隔は、１０〜３０００ｎｍが望ましいし、５０〜１６００ｎｍがより望ましい。そのため、前記Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層２３の厚さは、４０〜９０００ｎｍが望ましいし、２００〜２０００ｎｍがより望ましく、３００〜１０００ｎｍが最も望ましい。
【００８８】
次に図１０（ｃ）において、ＬＰＣＶＤ法（低圧化学蒸気堆積法）でＳｉＮ膜２９（Ｓｉｌｉｃｏｎ窒化膜）を成膜して、ドライエッチングでパターニングする。その後、フッ酸を含む液で第１酸化膜２５をエッチングする。このウェットエッチングの後、純水、アセトン、メタノールの順でエッチャントを置換し、二酸化炭素を用いる超臨界乾燥法（Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ  ｄｒｙｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）で基板を乾燥する。以降の説明を簡潔にするため、下記の“超臨界乾燥工程”は、純水、アセトン、メタノールの順でエッチャントを置換する予備工程、かつ二酸化炭素を用いる超臨界乾燥法を含むものとする。
【００８９】
次に図１０（ｄ）において、低圧水素雰囲気で基板をアニールする。アニール条件は、温度が８００〜１２００℃、圧力が０．１〜７６０Ｔｏｒｒであることが望ましい。最も望ましいアニール条件は、温度１０００〜１１５０℃、圧力１〜１００Ｔｏｒｒである。
【００９０】
以降の水素アニールプロセスの説明を簡潔にするため、以降の水素アニールプロセスの条件は、この図１０（ｄ）の条件と同じである。上記水素アニールにより、水素に接触する前記光共振器の初期形状２７の表面にあるＳｉ原子のＭｉｇｒａｔｉｏｎが活発になってＲｅｆｌｏｗ効果が発生し、初期形状２７の辺縁が丸くなる。この円い辺縁部があるため、辺縁内部に伝送する光の損失が大幅に低減して、共振効率、即ち品質係数（Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒ）が大幅に大きくなって、メンブレンの変位を光共振器で検出する性能がよくなる。次に加熱したリン酸を含む液、もしくはドライエッチングでＳｉＮ膜２９を除去する。上記のＳｉＮ膜２９の機能は、水素アニールする際に水素Ｂａｒｒｉｅｒ膜として、その後の接合工程に必要な表面平坦性、かつ光共振器１５の中心部のＳｉ形状を保持することである。ただし、プロセス上よく制御すれば、このＳｉＮ膜２９はなくても光共振器１５を形成することも可能である。
【００９１】
一方、図１０（ｅ）のように別の一枚ＳＯＩ基板３１を用意して、洗浄後にドライエッチングでＤｅｖｉｃｅ  ｌａｙｅｒ３２をパターニングする。次にフッ酸を含む液でＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ）層３３をエッチングする。次に前記超臨界乾燥工程に従って光導波路３５が形成する。この後、前記のように水素アニールを施してもいいし、施さなくても光伝送できる。図面を簡潔するため、図１０（ｅ）に光導波路３５の支持部を省略するが、実際には紙面垂直方向に延びる光導波路３５の下に支持する。
【００９２】
次に、図１０（ｆ）のように、前記図１０（ｄ）の基板を反転して図１０（ｅ）の基板の上にアライメントして接合する。アライメントの目的は、光共振器１５の辺縁部と光導波路３５を上下をそろえることである。アライメント精度については、５μｍ以下が望ましく、１μｍ以下がより望ましい。最も望ましいは、１００ｎｍ以下である。ちなみに、接合強度の観点から、接合温度は、室温から１２００℃までの範囲が望ましく、１００℃から８００℃までの範囲がより望ましく、さらには電子回路の整合性により、３００℃から４００℃までの範囲が最も望ましい。以降の接合プロセスの説明を簡潔にするため、以降の接合プロセスの条件は、この図１０（ｆ）の条件と同じである。
【００９３】
次に図１０（ｇ）では、Ｈａｎｄｌｉｎｇ層２６（Ｓｉ）をアルカリ性エッチャントでウェットエッチングする。ウェットエッチングは、片面エッチング治具（例えばドイツＳｉｌｉｃｅｔ社製ケミカルエッチング用ウェハホルダー）を使って、基板の裏面にあるＨａｎｄｌｉｎｇ層３４を保護し、損傷しないようにする。アルカリ性エッチャントを用いる場合、Ｈａｎｄｌｉｎｇ層２６（Ｓｉ）対第２酸化膜２４（ＳｉＯ２）のエッチング選択性が高いから、ウェットエッチングは第２酸化膜２４（ＳｉＯ２）に到達したら自動的に停止する。その後、第２酸化膜２４（ＳｉＯ２）をフッ酸を含む液を用いてエッチングする。フッ酸を含む液を用いる場合、Ｓｉｌｉｃｏｎ酸化膜対Ｓｉｌｉｃｏｎのエッチング選択性が高いから、第２酸化膜２４を完全に除去して、かつＭｉｄｄｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ層２２を損傷しないようにエッチングすることができる。次に純水洗浄、かつ乾燥して本発明の実施形態１の超音波センサが完成する。以降のプロセス説明を簡潔するため、以降のＨａｎｄｌｉｎｇ層およびＢＯＸ層を除去するプロセスは、特に他の方法を説明しない限り、この図１０（ｇ）のプロセス説明と同じとする。
【００９４】
大面積の素子アレイを作製する際には、前記図１０（ｆ）の接合の不完全を防ぐため、最後図１０（ｇ）に示す素子を大気圧、もしくは加圧の状態で高温アニールすると良い。この工程は“Ｐｏｓｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ”といわれる。この工程により、大気圧、もしくは加圧でＭｉｄｄｌｅ  Ｄｅｖｉｃｅ層２２を押し込んで、Ｔｏｐ  Ｄｅｖｉｃｅ層（Ｓｉｌｉｃｏｎ）２３とＤｅｖｉｃｅ層（Ｓｉｌｉｃｏｎ）３２の再接合ができる。また、大面積の接合均一性、および素子のＣａｖｉｔｙ１７封止が向上する。Ｐｏｓｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ温度は、室温から１２００℃までの範囲が望ましく、１００℃から８００℃までの範囲がより望ましく、さらに電子回路の整合性により、３００℃から４００℃までの範囲が最も望ましい。
【００９５】
（製造方法２）
図１１は、第４実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す。
【００９６】
この製造工程と図１０に示す製造工程とを比較すると、光共振器支持部１４がＳｉｌｉｃｏｎであり、特に２つ光共振器を用いることが特徴である。
【００９７】
先ず図１１（ａ）に一枚ＳＯＩ基板を洗浄し、準備する。その後、図１１（ｂ）に示すように、酸化膜４８を成膜し、パターニングして、エッチングマスクとしてＤｅｖｉｃｅ層４３をパターニングする。
【００９８】
次にもう一枚ＳＯＩ基板を使って、図１１（ｂ）にパターニングされたＳＯＩ基板に接合する。注意すべきは、図１１（ｃ）に示すように両方の基板のＤｅｖｉｃｅ層同士を接合することである。次に図１１（ｄ）に示すようにＨａｎｄｌｉｎｇ層４６とＢＯＸ層４５を除去する。（図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）をひっくり返して表示している。）この除去するプロセスは、前記図１０（ｇ）にあるプロセスと同じである。次に水素アニールを施し、光共振器１５と、光共振器支持部１４と、接合および水素アニール後の振動膜支持部４７が形成する（図１１（ｅ））。この水素アニール工程は、前記図１０（ｄ）と同じである。
【００９９】
次に、もう一枚ＳＯＩ基板を用意し、図１１（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）の順にプロセスを進んで、このＳＯＩ基板上に光導波路３５、およびもう一つ光共振器３６が形成する。上記図１１（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）、（ｉ）の詳細プロセス内容は、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と同じである。
【０１００】
次に図１１（ｅ）に示した基板を反転し、図１１（ｉ）に示した基板の上に接合して、図１１（ｊ）に示す基板断面を形成する。ここでは２つの光共振器を精密にアライメントすることが望ましい。詳細の接合プロセス条件は、前記図１０（ｆ）と同じである。その後、図１１（ｋ）に示すようにＨａｎｄｌｉｎｇ層４９とＢＯＸ層４４を除去する。プロセスの詳細は、前記図１０（ｇ）と同じである。
【０１０１】
（製造方法３）
図１２は、第１実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す。（製造方法１）に示した方法とは異なる。
【０１０２】
光共振器同士、もしくは光共振器と光導波路の間の光結合は、本発明の超音波センサの性能に大きな影響を与えるため、前記の製造方法１においてはアライメント工程が重要である。これは接合によるアライメントである。
【０１０３】
本製造工程は、光共振器と光導波路とのアライメント精度を向上させるため、接合によるアライメントを使わず、フォトリソグラフィーでアライメントする。例えば、ステッパーを用いて、光共振器と光導波路をパターニングする。このため、アライメント精度が１μｍ以下とすることができ、さらに１００  ｎｍ以下とすることも可能である。
【０１０４】
先ず図１２（ａ）に一枚ＳＯＩ基板を洗浄し、準備する。その後、図１２（ｂ）に示すようにＤｅｖｉｃｅ層３２をパターニングして、光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１を形成する。この光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１は、柱状、もしくはリング状である。その後に光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１を完全に熱酸化する。そのため、熱酸化のプロセス時間の観点から、光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１の幅は、５μｍ以下が望ましく、３μｍ以下がより望ましい。
【０１０５】
次に図１２（ｃ）に示すようにＳｉＮ膜５２を成膜し、パターニングする。その後、熱酸化を行なって、前記光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１を完全に酸化して、光共振器の臨時ＳｉＯ支持部５３が形成する。
【０１０６】
図１２（ｄ）に示すように前記光共振器の臨時Ｓｉｌｉｃｏｎ支持部５１だけはＳｉＮ膜５２に覆われないため、そのＳｉｌｉｃｏｎ表面だけが熱酸化する。これは「選択性酸化」といわれる。次にＳｉＮ膜５２を除去し、Ｄｅｖｉｃｅ層３２を図１２（ｅ）に示すようにパターニングし、エッチングされる形状はＤｅｖｉｃｅ層５４とする。次にＤｅｖｉｃｅ層５４を図１２（ｆ）に示すようにパターニングし、光導波路３５とＤｅｖｉｃｅ層５５が形成する。
【０１０７】
次に、もう一枚ＳＯＩ基板のＤｅｖｉｃｅ層５６を熱酸化して、熱酸化膜５６が形成して、その後に上記図１２（ｆ）に示す基板の上に接合して、図１２（ｇ）に示す断面構造ができる。接合プロセス条件は、前記図１０（ｆ）と同じである。
【０１０８】
次に図１２（ｈ）に示すようにＨａｎｄｌｉｎｇ層５９とＢＯＸ層５８を除去して、Ｄｅｖｉｃｅ層５７をドライエッチングでパターニングしてＤｅｖｉｃｅ層６０になる。前記Ｄｅｖｉｃｅ層５７をパターニングする際に、ステッパーを用いることで、光導波路３５とのアライメント精度を向上させることができる。Ｈａｎｄｌｉｎｇ層５９とＢＯＸ層５８を除去する方法は、前記図１０（ｇ）に説明する方法と同じである。特に図１２（ｇ）に示すように熱酸化膜５６と光共振器の臨時ＳｉＯ支持部５３およびＤｅｖｉｃｅ層５５との均一な密接を向上するため、前記図１０（ｇ）に説明するＰｏｓｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ方法を利用する。
【０１０９】
次にもう一枚ＳＯＩ基板を用いて、そのＤｅｖｉｃｅ層をパターニングして、前記図１２（ｈ）に示す基板と接合する。この工程は、図１２（ｉ）に示すように、パターニングされるＤｅｖｉｃｅ層６１とＤｅｖｉｃｅ層６０との接合である。詳細の接合プロセス条件は、前記図１０（ｆ）と同じである。
【０１１０】
次に図１２（ｊ）に示すようにＨａｎｄｌｉｎｇ層６３とＢＯＸ層６２を除去して、Ｄｅｖｉｃｅ層６１をドライエッチングでパターニングしてＤｅｖｉｃｅ層６４になる。上記Ｈａｎｄｌｉｎｇ層６３とＢＯＸ層６２を除去する方法は、前記図１０（ｇ）に説明する方法と同じである。Ｄｅｖｉｃｅ層６４をドライエッチングして、小孔７０が形成する。小孔７０はメンブレン１１の中心を対称軸とする溝形状が望ましく、円形の穴がもっとも望ましい。小孔７０が円形の穴である場合、直径が２μｍ以下が望ましく、１μｍ以下がより望ましく、０．５μｍ以下が最も望ましい。
【０１１１】
次に、フッ酸を含む蒸気を小孔７０に通らせて、酸化膜５６と光共振器の臨時ＳｉＯ支持部５３をエッチングする。このエッチングは、フッ酸を含むエッチャントを使用することも可能であるが、このようなウェットエッチングをする後、純水でＲｉｎｓｅし、前記超臨界乾燥工程が施すことが必要である。この場合、完全に純水を置換することが難しいし、残留する液体が小孔７０から完全に飛ばすことが時間かかるため、フッ酸を含む蒸気でエッチングすることが望ましい。
【０１１２】
次に水素アニールを施し、光共振器１５と、光共振器支持部１４と、光導波路３５と、接合後の振動膜支持部６４が図１２（ｋ）に示すように形成する。この水素アニール工程は、前記図１０（ｄ）と同じであって、水素が小孔７０に通って光共振器１５と光導波路３５の辺縁部を丸くする。
【０１１３】
最後にメンブレン１１の表面にある小孔７０を封止する封止膜６５を設けて、超音波センサが完成する。この封止膜６５は、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学蒸気堆積法）、もしくはＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学蒸気堆積法）で成膜するＳｉＮ膜、もしくはＳｉｌｉｃｏｎ膜、もしくはＳｉＯ膜である。本製造方法によれば、接合アライメントを用いず、フォトリソグラフィー法によるアライメントが可能となるため、アライメント精度が向上する。
【０１１４】
（製造方法４）
図１３は、第４実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す。前記製造方法２とは異なり、図１２に示したようにフォトリソグラフィー法によりアライメントを行う方法である。
【０１１５】
先ず図１３（ａ）に示すように一枚ＳＯＩ基板を洗浄し、準備する。次に前記図１３（ａ）の基板のＤｅｖｉｃｅ層３２をパターニングして、図１３（ｂ）に示すようにＤｅｖｉｃｅ層６１を形成する。次に前記図１３（ｂ）の基板を熱酸化して、図１３（ｃ）に示すようにＤｅｖｉｃｅ層６９と熱酸化膜３８を形成する。
【０１１６】
一方、もう一つＳＯＩ基板を使って、前記図１１（ｂ）と同じプロセスでこのＤｅｖｉｃｅ層を図１３（ｄ）のようにＤｅｖｉｃｅ層４３と熱酸化膜４８を形成する。次に図１３（ｃ）に完成した基板を反転して、図１３（ｄ）に完成した基板の上に接合して、図１３（ｅ）に示す接合後の基板断面が出来る。次に図１３（ｆ）に示すように、Ｈａｎｄｌｉｎｇ層３４とＢＯＸ層３３を除去する。接合の均一性を向上するため、その除去工程の直後にＰｏｓｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇを施すことが望ましい。
【０１１７】
次に図１３（ｇ）に示すようにステッパーおよびドライエッチングを用いてＤｅｖｉｃｅ層６９をパターニングする。ステッパーでアライメントすることにより、上部の光共振器１５と、下部の光共振器３６および光導波路３５とのアライメント精度が１μｍ以下とでき、さらに１００ｎｍ以下とすることも可能である。上部の光共振器１５は、光共振器の臨時ＳｉＯ支持部８１を介して、下部の光共振器３６と連結する。光共振器の臨時ＳｉＯ支持部８１の両側は、間隔調整部７８、７９があって、上下の光共振器の間隔を調整し、光結合の初期状態を制御する。
【０１１８】
次にもう一枚ＳＯＩを用意し、そのＤｅｖｉｃｅ層をパターニングして、図１３（ｈ）に示すような基板断面構造を形成する。次に図１３（ｈ）に完成した基板を反転し、図１３（ｇ）に完成した基板の上に接合して、図１３（ｉ）に示すような基板断面構造を形成する。次に、図１３（ｊ）に示すように前記基板のＨａｎｄｌｉｎｇ層２６とＢＯＸ層７１を除去し、Ｐｏｓｔ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ工程を施してメンブレン１１を形成する。
【０１１９】
次に光共振器の臨時ＳｉＯ支持部８１を除去するため、図１３（ｋ）に示すようにメンブレン１１をドライエッチングでパターニングして、小孔７０が形成する。その後、前記図１２（ｋ）と同じようにフッ酸を含む蒸気を小孔７０を通らせ、光共振器の臨時ＳｉＯ支持部８１を除去しながら、ＢＯＸ層６７をエッチングして、図１３（ｋ）に示すような基板断面構造を作製する。ここでは、共振器の臨時ＳｉＯ支持部８１を除去するが、下部の光共振器３６の支持部３７を残す必要があることに注意する。
【０１２０】
次に水素アニールを施し、光共振器１５、３６と、光共振器支持部１４、３７と、光導波路３５と、接合後の振動膜支持部７５とが図１２（ｋ）に示すように形成する。この水素アニール工程は、前記図１０（ｄ）と同じであって、水素が小孔７０に通って光共振器１５、３６と光導波路３５の辺縁部を丸くする。
【０１２１】
最後にメンブレン１１の表面にある小孔７０を封止する封止膜６５を設けて、超音波センサが完成する。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施形態にかかる超音波センサを半分に切断した場合の斜視図である。（ｂ）図１（ａ）と同様の構成の超音波センサの断面図である。
【図２】導波路の光透過パワー率の位相差依存性を示す図である。
【図３】導波路と光共振器の相対距離ｈ１の変化Δｈ１に対する、光透過パワー率の変化を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）本発明の第２の実施形態にかかる超音波センサの断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる超音波センサの断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態において導波路を１つ設けた超音波センサの断面図である。
【図７】（ａ）本発明の第４の実施形態において導波路を２つ設けた超音波センサの断面図である。（ｂ）図７（ａ）の超音波センサのうち、２つの導波路１６ａ、１６ｂと、下部の光共振器１５ａを上部から見た図である。
【図８】本発明の超音波センサを利用した超音波センサアレイの一例を示す模式図である。
【図９】本発明の超音波センサを利用した超音波撮像装置のブロック図である。
【図１０】第１実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す図である。
【図１１】第４実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す図である。
【図１２】第１実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す図である。
【図１３】第４実施形態の超音波センサ製造工程の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１  光源
２  分光器
３  分光器
４  光センサ
５  制御器
１０  超音波センサ
１１  メンブレン
１２  振動膜支持部
１３  基板
１４  共振器支持部
１５  光共振器
１５ａ  第１の光共振器
１５ｂ  第２の光共振器
１６  導波路
１６ａ  第１の導波路
１６ｂ  第２の導波路
１７  キャビティ
１８ａ，ｂ  導波路支持部
１８ｃ  導波路クラッド層
３０  超音波センサアレイ
９０  超音波探触子
９２  受信回路系
９３  送信回路系
９４  断層信号処理系
９５  変位信号処理系
９６  画像処理系
９７  システム制御部
９８  画像表示部
９９  超音波送信部
【図１】
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【図２】
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【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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