超聲波轉換器以及使用其的超聲波診斷裝置的製作方法

2023-04-30 11:47:26

專利名稱：超聲波轉換器以及使用其的超聲波診斷裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波轉換器(ultrasonic transducer)以及使用該超聲波轉換器的超聲波診斷裝置，尤其，涉及一種通過M E M S (Micro Electro Mechanical Systems)技術製造的超聲波轉換器。
背景技術：
超聲波轉換器通過發送、接收超聲波，用於人體內的腫瘤等的診斷、或構造物的非破壞檢查、流體的速度探測等。目前為止使用的是利用了壓電體的振動的超聲波轉換器，但隨著近年的ME M S技術的進步，正積極開發在矽基板上製作振動部的電容檢測型超聲波轉換器(C M U T:Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)。例如，在專利文獻1、專利文獻2或專利文獻3中對C M U T的動作可靠性提高有公開。另外，在專利文獻4中，對控制C MUT的中心頻率和帶寬的方法有公開。在先技術文獻專利文獻專利文獻1:美國專利申請公開第2005/0228285號說明書專利文獻2:美國專利申請公開第2009/0322181號說明書專利文獻3:日本特開2007-74263號公報專利文獻4:國際公開第2007/046180號在所述專利文獻I中公開了如下一種構造，在C MUT的空洞部形成突出的絕緣膜的突起，即使在施加崩潰(collapse)電壓以上的直流電壓、或施加交流電壓的情況下，突起下表面雖然與空洞下表面接觸，但膜片(membrane)下表面也不與空洞下表面接觸。但是，由於是突起部被上下電極夾著的構造，因此，無法避免電荷向突起部的絕緣膜注入。另一方面，在所述專利文獻2中，是一種對電極的一部分進行挖空，使得膜片下表面與空洞下表面接觸的區域不被上下電極夾著的構造。在該構造的情況下，由於在接觸區域的膜片絕緣膜中的電場強度降低，因此可以避免電荷注入，但相應地，上下電極的重合部的面積變小，導致C M U T的驅動電壓的上升、接收靈敏度的下降。另外，在所述專利文獻3中，是一種向空洞部突出的絕緣膜的突起不被上下電極夾著的構造。此時，與上述的理由同樣，導致C M U T的驅動電壓的上升、接收靈敏度的下降。所述專利文獻4的內容是通過在膜片設置剛性部件，調整膜片整體的剛性，控制CM U T的中心頻率與帶寬。但是，剛性部件的導入帶來驅動電壓的上升，設備動作可靠性的確保變成問題。因此，本發明的目的在於提供一種超聲波轉換器及使用其的超聲波診斷裝置，C MU T在空洞部具有突出的突起，上部電極和下部電極之中的至少一方的電極被配置在俯視時不與突起重合的位置，其中，確保突起下表面與空洞下表面接觸後到膜片下表面與空洞下表面接觸的期間的電壓裕度(margin)，抑制電荷向膜片絕緣膜注入，具有高發送聲壓與
高可靠構造。

發明內容
為解決上述問題，本發明的超聲波轉換器具備:下部電極、形成在所述下部電極上並被絕緣膜包圍的空洞部、形成在所述空洞部上的上部電極、以及形成在所述空洞部內的多個絕緣膜的突起，其特徵在於，所述超聲波轉換器具備形成在所述空洞部上的多個剛性部件，所述下部電極和所述上部電極之中的至少一方的電極通過對與所述絕緣膜的突起重合的部分進行挖空，從而被配置在俯視時不與所述絕緣膜的突起重合的位置，各個所述剛性部件被配置成存在俯視時與所述絕緣膜的突起重合的區域。在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述剛性部件是梁部件，在由所述絕緣膜、所述上部電極及所述梁部件構成的膜片中，配置有所述梁部件的部分的厚度比未配置梁部件的部分厚，厚的量是梁部件的厚度部分。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述梁部件配置在所述上部絕緣膜上。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述梁部件被埋入所述上部絕緣膜的內部。在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述剛性部件是楊氏模量比由所述絕緣膜、所述上部電極及所述梁部件構成的膜片高的高楊氏模量部件。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述高楊氏模量部件被埋入所述上部絕緣膜的內部。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述高楊氏模量部件通過埋入鎢等金屬材料或氧化鋁等陶瓷材料而形成。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述高楊氏模量部件通過離子的打入而對所述上部絕緣膜進行改質而形成。在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述剛性部件的中心被配置成俯視時與所述絕緣膜的突起的中心一致。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:多個所述絕緣膜的突起相對於一個所述剛性部件重合配置。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述絕緣膜的突起配置在所述空洞部的上表面。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述絕緣膜的突起配置在所述空洞部的下表面。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述多個絕緣膜的突起與所述多個剛性部件在俯視時以等間隔配置。
另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述空洞部在俯視時是圓形或多邊形。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述絕緣物的突起在俯視時是圓形或多邊形。另外，在本發明的超聲波轉換器中，可以為:所述剛性部件在俯視時是圓形、十字型形狀或多邊形。本發明的超聲波診斷裝置採用上述任一個的超聲波轉換器以及偏壓部。發明效果根據本發明，在電容檢測型超聲波轉換器(C M U T)中，可以實現高發送聲壓與高接收靈敏度，另外，可以使長期驅動下的可靠性提高。


圖1是本發明的實施例1的超聲波轉換器的剖面圖。圖2是本發明的實施例1的超聲波轉換器的俯視圖。圖3是本發明人研究的CMUT超聲波轉換器的剖面圖。圖4是本發明人研究的、超聲波轉換器的突起與空洞下表面接觸的狀態的剖面圖。圖5是本發明人研究的、超聲波轉換器的膜片與空洞下表面接觸的剖面圖。圖6是表示突起與空洞下表面接觸的狀態的剖面圖。圖7是以離突起中心的距離來標繪突起與空洞下表面接觸的狀態即將一定的外力施加於膜片的情況下的膜片的變形的圖表。圖8是表示在膜片上配置的剛性部件與突起的中心的錯位量和突起附近的變形以及膜片接觸電壓之間的關係的圖表。圖9是在本發明的實施例1的超聲波轉換器中，剛性部件與突起的中心不一致的情況下的俯視圖。圖10是在本發明的實施例1的超聲波轉換器中，剛性部件與多個突起重合的情況下的俯視圖。圖11是在本發明的實施例1的超聲波轉換器中，剛性部件為十字形狀的情況下的俯視圖。圖12是本發明的實施例1的其他的超聲波轉換器的剖面圖。圖13是本發明的實施例2的超聲波轉換器的剖面圖。圖14是本發明的實施例2的其他的超聲波轉換器的剖面圖。圖15是本發明的實施例3的超聲波轉換器的剖面圖。圖16是本發明的實施例3的超聲波轉換器的俯視圖。圖17是本發明的實施例4的超聲波轉換器的剖面圖。圖18是本發明的實施例5的超聲波轉換器的俯視圖。圖19是本發明的實施例6的超聲波轉換器的俯視圖。圖20是本發明的實施例7的超聲波診斷裝置的構成框圖。
具體實施例方式以下，基於附圖詳細說明本發明的實施例。在以下的實施例中，為了方便，在必要時，分成多個部分或實施例進行說明，但除了特別明示的情況外，它們不是相互無關係，一方是另一方的一部分或全部的變形例、詳細、補充說明等的關係。另外，在以下的實施例中，在提及要素的個數等(包括個數、數值、量、範圍等)時，除了特別明示的情況以及原理上明顯限於特定數量的情況等外，不限於其特定的數量，可以是特定的數量以上或以下。進而，在以下的實施例中，其構成要素(也包括要素步驟等)，除了特別明示的情況以及原理上明顯認為是必須的情況等外，不言而喻不一定是必須的。同樣，在以下的實施例中，提及構成要素等的形狀、位置關係等時，除了特別明示的情況以及原理上明顯認為不是那樣的情況等外，實質上包括與其形狀等近似或類似的內容等。這對於上述數值以及範圍也是同樣的。需要說明的是，在俯視圖中為了容易理解，有時帶有剖面線。在下述的實施例的記載中，在電容檢測型超聲波轉換器(C M U T)中，通過擴展從在空洞部突出的突起的下表面與空洞下表面接觸的狀態到膜片下表面與空洞下表面接觸的狀態期間的電壓裕度，抑制向膜片絕緣膜的電荷注入、絕緣耐壓的下降的這一目的，是如下實現的:在俯視時，將c M U T設成在空洞突出的突起與在膜片上設置的剛性部件或者高楊氏模量部件的至少一部分重合的配置。實施例1利用圖3，說明C M U T的基本的構造以及動作。在下部電極101的上層形成有被絕緣膜103包圍的空洞部102。在空洞部102上隔著絕緣膜103而配置有上部電極104。若在上部電極104和下部電極101之間重疊直流電壓和交流電壓，則靜電力作用於上部電極104和下部電極101之間，由空洞部102上的絕緣膜103與上部電極104構成的膜片105以施加的交流電壓的頻率振動，由此,發送超聲波。在接收的情況下，預先在上部電極104和下部電極101之間只施加直流電壓，在到達膜片105的表面的超聲波的壓力的作用下，膜片105振動。於是，上部電極104與下部電極101之間的距離變化，因此，可以作為容量的變化檢測超聲波。作為超聲波轉換器最重要的性能之一是信號對雜音比(SN比)高。例如，在超聲波診斷裝置或探傷檢查裝置中SN比高就相當於畫質鮮明，在裝置的性能上很重要。在C MU T中為了提高SN比，只要增大接收時的容量變化量即可。雖然增加C M U T的數量或面積，也可以增加容量變化量，但此時，轉換器的尺寸變大，因此，需要使每單位面積的容量變化量變大。即，需要使接收靈敏度提高。或者通過增大發送聲壓，提高從檢查對象物反射回來的超聲波的聲壓，由此也可以增大接收時的容量變化量。為了提高接收靈敏度，由於儘可能縮窄上部電極104和下部電極101的間隔更好，所以需要施加儘可能大的直流電壓。但是，如果膜片的變形量通過真空換算為兩電極間的三分之一以上的距離，則電極間的靜電力變得大於膜片的彈簧恢復力，膜片下表面106接觸於空洞部下表面107。將此電壓稱為崩潰電壓。基於以上理由，接收時施加比崩潰電壓稍小的直流電壓。另一方面，為了提高發送聲壓，希望使膜片的振幅為最大限度。但是，如果在驅動中當膜片下表面106接觸於空洞下表面107的話，則在絕緣膜中產生電荷注入，發送接收特性偏移(drift)。因此，CMUT的驅動條件需要在「膜片下表面106不與空洞下表面107接觸的」範圍進行設定。實際上，由於製造偏差，空洞部102的高度偏差，因此，驅動條件除了膜片不接觸的條件外，還要進一步設計成具有裕度，膜片的振幅遠遠小於空洞部102的高度，限制發送聲壓的上限。因此，通過形成向空洞部突出的絕緣膜的突起，進而對電極進行挖空使得成為該突起不被上下電極夾著的構造，由此，降低突起接觸部的電場強度，可以避免電荷注入。但是，由於對電極進行挖空，所以上下電極的重合的面積變小，導致C M U T的驅動電壓的上升或接收靈敏度的下降。為了不產生發送接收特性的偏移、進而不導致C M U T的驅動電壓的上升或接收靈敏度的下降，實現高發送聲壓，需要使突起的數量和電極的挖空面積為必要最小限。對於此時應注意的事情，使用圖4和圖5進行說明。圖4是表示在膜片105下側設置的突起108與空洞下表面107接觸的狀態的剖面圖。將該狀態稱為突起接觸狀態。為了得到高發送聲壓，希望使膜片的振幅為最大限度，因此，施加成為突起接觸狀態的電壓以上的電壓。在施加成為突起接觸狀態的電壓以上的電壓時，突起108間的膜片105以接近空洞下表面107的方式變形，並以某電壓以上與空洞下表面107接觸。將該狀態稱為膜片接觸狀態，如圖5所示。在該膜片接觸狀態下，向膜片105產生電荷注入，因此，為了不成為膜片接觸狀態而取較寬的與突起接觸狀態的電壓裕度就成為動作可靠性提高的要點。為了擴展電壓裕度，只要提高膜片整體的剛性即可，但是驅動電壓也升高，因此並非良策。因此，只要不提高突起下表面106與空洞下表面107非接觸的狀態下的膜片整體的剛性，而提高在突起接觸狀態下的膜片剛性，就可以取較寬的上述的裕度電壓，可以在沒有發送接收特性的偏移的情況下提高發送聲壓。使用圖1說明本實施例的CMUT的剖面構造。CMUT包括:在基板206的上面配置的長方體的下部電極201、在下部電極201上配置的長方體的空洞部202、在空洞部202上配置的長方體的上部電極205等。需要說明的是，在下部電極201與空洞部202之間以覆蓋下部電極201的方式形成有絕緣膜209，在上部電極205與空洞部202之間以覆蓋空洞部202和下部電極201的方式形成有絕緣膜208，在空洞部202配置有至少一個以上的、從絕緣膜208下表面向空洞部202突出的圓柱狀的突起204。另外，在絕緣膜208上面覆蓋有絕緣膜207。上述的突起204或絕緣膜207、208、209由氧化矽、氮化矽等形成。在絕緣膜207的上表面配置有至少一個以上的作為剛性部件203的長方體的梁部件。該剛性部件203即梁部件與絕緣膜207、208、209同樣可由氧化矽、氮化矽等那樣相同的材料形成，也可以由另外的材料形成。需要說明的是，通過由絕緣膜207、上部電極205、絕緣膜208構成的膜片210振動，發送超聲波。下面，為了便於說明，將突起204之中的、與絕緣膜209夾著空洞而相對的面稱為突起下表面211，將絕緣膜209之中的、暴露於空洞的面稱為空洞下表面213。另外，將膜片210之中的、暴露於空洞的面稱為膜片下表面212。而且，將突起下表面211與空洞下表面213接觸這一情況稱為突起接觸，另外，將此時的電壓稱為突起接觸電壓，而且將膜片下表面212與空洞下表面213接觸這一情況稱為膜片接觸，另外將此時的電壓稱為膜片接觸電壓。另外，將膜片接觸電壓與突起接觸電壓之差稱為裕度電壓。對圖1所示的CMUT的製造方法進行記述。基本的製造方法記載在專利文獻3中，在此，對於剛性部件203即梁部件的形成方法進行描述。梁部件是通過等離子體C V D法在絕緣膜207上堆積作為梁部件的材料的薄膜、例如氧化矽、氮化矽，並通過照相技術與乾式蝕刻技術而形成的。在此，膜片210的厚度由於給設備特性帶來大的影響，因此，在乾式蝕刻時需要注意不要使絕緣膜207變薄。例如，使剛性部件203即梁部件為從上側觀察時是氮化矽、氧化矽的順序的層疊膜，使絕緣膜207為氮化矽，由此，剛性部件203即梁部件蝕刻結束後的襯底的絕緣膜207的切削量變少，可抑制膜片210的厚度的蝕刻前後的變化量為少的量。使用圖2說明本實施例的C MUT的上表面構造。圖2表不圖1的俯視圖。另外，圖1表示圖2的在線A-A』切斷的剖面圖。需要說明的是，在圖2中，為了便於說明，從剛性部件203透視表示突起204等。今後為了便於說明，對於空洞202、上部電極205，以紙面的縱向為寬度，以橫向為長度，對於剛性部件203，以紙面縱向為長度，以橫向為寬度。首先，記述上部電極205的形狀。例如，上部電極205具有多個圓形的孔部。俯視時，在上部電極205的多個圓形的孔部214的大致中央的位置分別配置有突起204。俯視時，由於突起204配置在上部電極205的孔部214，所以被配置在不與上部電極205重合的位置上。S卩，在突起204的鉛直方向上沒有上部電極205。在圖2中，上部電極205的一部分被挖空，並配置成俯視時突起204與上部電極205不重合，但是挖空的電極也可以是下部電極201。重要的是:上部電極205與下部電極201之中的至少一方的電極被配置在俯視時不與突起204重合的位置。成為這種配置的理由是，將直流電壓或者交流電壓施加到電極間，突起下表面211與空洞下表面213接觸時對突起204和絕緣膜209施加強電場，為了不產生電荷注入而對電極進行挖空，從而使電極間距離分開，降低電場強度。對於剛性部件203和突起204的位置關係，使用圖2進行說明。至少一個以上的突起204配置在俯視時空洞202的寬度方向中央。另外，剛性部件203被配置成相對於上部電極205的孔部214與突起204，在俯視時在一部分也重合。在圖1和圖2中，剛性部件203和突起204在俯視時在空洞長度方向上以等間隔配置，但是也可以以不等間隔配置。但是，在不等間隔的情況下，在一個C M U T內存在多個膜片接觸電壓，在設計上並不優選，因此最好是等間隔。另外，最好由膜片接觸電壓和突起接觸電壓的大小關係來決定剛性部件203彼此與突起204彼此的間隔。例如，在膜片接觸電壓低於突起接觸電壓的情況下，縮窄剛性部件203與突起204的間隔，提高膜片接觸電壓。但是，如果縮窄突起204的間隔，則上部電極205的面積減少，導致C M U T的靈敏度下降，因此最好是在設計階段滿足必要最低限的裕度電壓的突起間隔。本實施例1的特徵在於，如圖1和圖2所示，一種C M U T，上部電極205和下部電極201之中的至少一方的電極被配置在俯視時不與在空洞202突出的突起204重合的位置上，其中，在膜片210上設置的剛性部件203與突起204配置成在俯視時一部分重合。通過形成這種構造，從而突起204正上方的膜片變厚，剛性提高，可以取較大的裕度電壓。S卩，為了得到高發送聲壓，即使當在突起下表面211接觸於空洞下表面213的驅動條件下使膜片210最大限振動時，也可以防止膜片接觸。在實際的C M U T中，由於製造偏差，有時局部膜片接觸電壓低於設計值，但通過形成上述的構造，可以防止膜片接觸，減少向膜片210的絕緣膜208的電荷注入。因此，可使C MUT的動作可靠性提高。使用圖6說明在從上面觀察時，剛性部件203和突起204以一部分重合的方式配置好的理由。此處的要點在於，增厚俯視時與突起204重合的區域的膜片210，局部提高剛性。需要說明的是，在圖6中，將圖1中圖示的絕緣膜207、上部電極205、絕緣膜208 —起作為膜片310進行圖示。在圖7中，是從圖6的突起接觸狀態將某大小的外力均勻施加於膜片310整體，以離突起304中心的距離對膜片310的變形進行標繪的模擬結果。變形在突起304附近為最大值,隨著變遠而單調減少。該結果意味著:在膜片310從突起接觸狀態變形的情況下，突起304成為固定端，因此突起304的附近的變形為最大。因此，若能減少突起附近的變形，就可以擴展裕度電壓。圖8的圖表表示剛性部件與突起的位置關係與突起附近的變形的大小的關係。如圖8(b)所示，在剛性部件與突起的錯位量d小的情況下，突起附近的變形小，剛性部件與突起的中心一致的情況是最小的。另一方面，在剛性部件不與突起重合的情況下，突起附近的變形變大。在圖8(c)中表示剛性部件與突起間的錯位量d與膜片接觸電壓的關係。在錯位量d小的情況下，膜片接觸電壓大，但若錯位量d變大，則膜片接觸電壓下降。因此，配置剛性部件的場所對突起附近的變形帶來較大的影響，在剛性部件與突起的中心以一致的方式配置時，突起附近的變形最小，是有效的。但是，如俯視圖的圖9所示的構造那樣，長方體的剛性部件303與圓柱狀的突起304在俯視時一部分重合，則就有減少突起附近的變形的效果。需要說明的是，從剛性部件303的上面觀察的形狀或配置只要由希望的頻率特性適當決定即可。另外，如圖10所示，也可以是相對於一個長方體的剛性部件303在俯視時，圓柱狀的多個突起304的至少一部分重合的配置。在該構造中，也與上述的內容同樣，在俯視時，多個突起304配置成不與上部電極305重合。另外，剛性部件303配置成在俯視時，與多個突起304的至少一部分重合。這樣的構造在空洞302的寬度寬、空洞寬度方向的剛性低的情況下，作為提高膜片接觸電壓的手段是有效的。但是，若增加突起304，則上部電極305的面積減小，CMUT的靈敏度下降，因此，最好為必要最低限的數量。另外，如圖11所示，可使剛性部件303的形狀為十字型。在該構造中，在突起304間的膜片中，在配置剛性部件303的部位，膜片變厚，可以提高剛性，因此可以提高突起間膜片的接觸電壓。即便擴展圖2所示的長方形的剛性部件203的寬度，也可以提高突起間的膜片的剛性，但剛性部件203的面積變大，膜片整體的剛性變高，驅動電壓提升，因此在可靠性方面不利。即，在圖11所示的十字型的剛性部件303中，可以不較大地改變驅動電壓，而提高突起間膜片的接觸電壓。需要說明的是，以上，說明了在膜片表面配置剛性部件的構造，但也可以如圖12所示，將剛性部件303埋入膜片310的內部。希望膜片310的形狀是平坦的，相對於此，由於構成的膜的殘留應力，有時產生膨脹或者凹陷，但如圖12所示，通過改變剛性部件303的埋入場所，可以控制膜片310的殘留應力分布，可以控制膜片310的膨脹或者凹陷形狀。實施例2使用圖13說明本實施例2的C M U T的構造。CMUT包括:在基板506的上面配置的長方體的下部電極501、在下部電極501上配置的空洞部502、在空洞部502上配置的長方體的上部電極505等。需要說明的是，在下部電極501與空洞部502之間以覆蓋下部電極501的方式形成有絕緣膜509，在上部電極505與空洞部502之間以覆蓋空洞部502和下部電極501的方式形成有絕緣膜508。在空洞部502配置有至少一個以上的、從絕緣膜509上表面向空洞部502突出的圓柱狀的突起504。該突起504由絕緣膜構成。另外，在絕緣膜507的上表面配置有至少一個以上的長方體的剛性部件503。該剛性部件503即梁部件與絕緣膜507、508、509同樣可由氧化矽、氮化矽等那樣相同的材料形成，也可以由另外的材料形成。需要說明的是，通過由絕緣膜507、上部電極505、絕緣膜508構成的膜片510振動，發送超聲波。今後為了便於說明，將突起504之中的、與絕緣膜508夾著空洞而相對的面稱為突起上表面514，將絕緣膜509之中的、暴露於空洞的面稱為空洞下表面513。另夕卜，將膜片510之中的、暴露於空洞的面稱為膜片下表面512。而且，將突起上表面514與膜片下表面512接觸這一情況稱為突起接觸，另外，將此時的電壓稱為突起接觸電壓，而且將膜片下表面512與空洞下表面513接觸這一情況稱為膜片接觸，另外將此時的電壓稱為膜片接觸電壓。另外，將膜片接觸電壓與突起接觸電壓之差稱為裕度電壓。剛性部件503彼此與突起504彼此的間隔與實施例1所述的內容相同，可由膜片接觸電壓與突起接觸電壓的大小關係決定。例如，在膜片接觸電壓低於突起接觸電壓的情況下，縮窄剛性部件503與突起504的間隔，使膜片接觸電壓提高。與前述的實施例1的不同點在於，突起504從空洞下表面513向空洞502突出。在以該構造，膜片下表面512接觸於突起上表面514時，就變成與圖6所示的突起304從膜片下表面312向空洞302突出的構造同樣的狀態。因此，在突起504從空洞下表面513突出的構造中，若俯視時以剛性部件與突起的中心一致的方式配置，則也可以增大突起接觸電壓與膜片接觸電壓之差，因此可以得到與實施例1的超聲波轉換器同樣的效果。需要說明的是，與實施例1的超聲波轉換器同樣，通過俯視時剛性部件503與突起504的中心一致的配置可得到最大的效果，但只要一部分重合就有效。若形成這種構造，則通過在C M U T振動部的膜片側沒有突起，有容易進行C M U T的頻率特性的設計的特徵。需要說明的是，以上說明了在膜片表面配置有剛性部件的構造，但如圖14所示，也可以將剛性部503埋入膜片510的內部，與實施例1記載的同樣，也有容易進行膜片510的形狀控制的特徵。實施例3使用圖15、圖16說明本實施例3的C M U T的構造。圖15表示的剖面圖示出了一個C M U T0 C M U T單體包括:長方體的下部電極701、在下部電極701上配置的空洞部702、在空洞部702上配置的長方體的上部電極705等。需要說明的是，在下部電極701與空洞部702之間以覆蓋下部電極701的方式形成有絕緣膜709，在上部電極705與空洞部702之間以覆蓋空洞部702和下部電極701的方式形成有絕緣膜708。在空洞部702配置有至少一個以上的、從絕緣膜708下表面向空洞部702突出的圓柱狀的突起704。該突起704由絕緣膜構成。上述的突起704或絕緣膜707、708、709由氧化矽、氮化矽等形成。在膜片710中埋入長方體的高楊氏模量部件703。在圖15中，將高楊氏模量部件703埋入絕緣膜707，但也可以埋入絕緣膜708，也可以埋入絕緣膜707和絕緣膜708雙方。所謂高楊氏模量部件703，由楊氏模量比周圍的絕緣膜707、絕緣膜708高的材料，例如鎢等金屬材料或氧化鋁等陶瓷材料等，或者通過離子的打入等而對絕緣膜707、絕緣膜708進行改質，提高楊氏模量而形成。今後，為了便於說明，將突起704之中的、與絕緣膜709夾著空洞而相對的面稱為突起下表面711，將絕緣膜709之中的、暴露於空洞的面稱為空洞下表面713。另外，將膜片710之中的、暴露於空洞的面稱為膜片下表面712。而且，將突起下表面711與空洞下表面713接觸的這一情況稱為突起接觸，另外將此時的電壓稱為突起接觸電壓，而且將膜片下表面712與空洞下表面713接觸這一情況稱為膜片接觸，另外，將此時的電壓稱為膜片接觸電壓。
對於高楊氏模量部件703與突起704的位置關係，使用圖16進行說明。另外，圖15表示圖16的在線A-A』切斷的剖面圖。需要說明的是，在圖16中，為了便於說明，從高楊氏模量部件703透視表示突起704等。今後為了便於說明，對於空洞702、上部電極705，以紙面的縱向為寬度，以橫向為長度，對於高楊氏模量部件703，以紙面縱向為長度，以橫向為寬度。至少一個以上的突起704配置在俯視時空洞702的寬度方向中央。另外，高楊氏模量部件703相對於各個突起704，配置成在俯視時中心部一致。另外，上部電極705與下部電極701之中的至少一方的電極配置在俯視時不與突起704重合的位置上。在圖16中，上部電極705的一部分被挖空，俯視時，突起704與上部電極705不重合地配置，但挖空的電極也可以是下部電極701。形成這種配置的理由是，將直流電壓或者交流電壓施加於電極間，在突起下表面711與空洞下表面713接觸的情況下對突起704和絕緣膜709施加強電場，為了不產生電荷注入，對電極進行挖空，由此使電極間距離分開，降低電場強度。在圖15和圖16中，高楊氏模量部件703與突起704在空洞長度方向上以等間隔配置，但也可以是不等間隔。但是，在不等間隔的情況下，在一個C M U T內存在多個膜片接觸電壓，在設計上並不優選，因此最好是等間隔。另外，高楊氏模量部件703彼此和突起704彼此的間隔最好由膜片接觸電壓和突起接觸電壓的大小關係來決定。例如，在膜片接觸電壓低於突起接觸電壓的情況下，縮窄高楊氏模量部件703和突起704的間隔，使膜片接觸電壓提高。本實施例3的特徵在於，如圖15和圖16所示，一種CMU T，上部電極705和下部電極701之中的至少一方的電極被配置在俯視時不與在空洞702突出的突起704重合的位置上，其中，在膜片710設置的高楊氏模量部件703和突起704被配置成俯視時一部分重合。此處的要點是，俯視時在與突起704重合的區域的膜片內部配置高楊氏模量部件，由此局部地提高剛性。通過形成這樣的構造，可以取較大的突起接觸電壓與膜片接觸電壓之差。即，為了得到高發送聲壓，即使當在突起下表面711接觸於空洞下表面713的驅動條件下使膜片710最大限振動時，也可以防止膜片接觸。在實際的C M U T中，由於製造的偏差，存在膜片接觸電壓局部低於設計值的情況，但通過形成上述的構造，可以防止膜片接觸，減少向膜片710的絕緣膜708的電荷注入。因此，可使C M U T的動作可靠性提高。另外，還有可使C M U T表面平整的特徵。實施例4使用圖17說明本實施例4的C M U T的構造。CMUT包括:在基板706的上面配置的長方體的下部電極701、在下部電極701上配置的空洞部702、在空洞部702上配置的長方體的上部電極705等。需要說明的是，在下部電極701和空洞部702之間以覆蓋下部電極701的方式形成有絕緣膜709，在上部電極705和空洞部702之間以覆蓋空洞部702和下部電極701的方式形成有絕緣膜708。在空洞部702配置有至少一個以上的、從絕緣膜709上表面向空洞部702突出的圓柱狀的突起704。該突起704由絕緣膜構成。另外，在絕緣膜707的上表面埋入有至少一個以上的長方體的高楊氏模量部件703。為了便於說明，將突起704之中的、與絕緣膜708夾著空洞而相對的面稱為突起上表面714，將絕緣膜709之中的、暴露於空洞的面稱為空洞下表面713。另外，將膜片710之中的、暴露於空洞的面稱為膜片下表面712。而且，將突起上表面714與膜片下表面712接觸這一情況稱為突起接觸，另外將此時的電壓稱為突起接觸電壓，而且將膜片下表面712與空洞下表面713接觸這一情況稱為膜片接觸，另外將此時的電壓稱為膜片接觸電壓。高楊氏模量部件703彼此和突起704彼此的間隔最好由膜片接觸電壓與突起接觸電壓的大小關係來決定。例如，在膜片接觸電壓低於突起接觸電壓的情況下，縮窄高楊氏模量部件703與突起704的間隔，使膜片接觸電壓提高。與前述的實施例3的不同點在於，突起704從空洞下表面713向空洞702突出。當以該構造，膜片下表面712與突起上表面714接觸時，變成與圖15所示的構造的突起接觸狀態同樣的狀態。因此，即便在突起704從空洞下表面713突出的構造中，當俯視時高楊氏模量部件與突起的中心一致地配置時，也可以增大突起接觸電壓與膜片接觸電壓之差，可以使C M U T的動作可靠性提高，因此可以得到與實施例3的超聲波轉換器同樣的效果。需要說明的是，與實施例3的超聲波轉換器同樣，高楊氏模量部件和突起只要在俯視時一部分重合則就有效果。若形成這樣的構造，則在C M U T振動部的膜片側沒有突起，從而具有容易進行C M U T的頻率特性的設計的特徵。實施例5圖18是表示本實施例5的超聲波轉換器的俯視圖。該超聲波轉換器包括圓形的突起804、圓形的膜片810和在膜片810的上表面的圓形的剛性部件803或高楊氏模量部件805。剛性部件803和突起804配置在膜片810的中央與其上下左右的膜片端的中間。剛性部件803與突起804配置成俯視時一部分重合。圓形的突起804是一例，也可以是三角形、五邊形、七邊形等其他的多邊形。另外，在剛性部件803或高楊氏模量部件805中，圓形也是一例，也可以是三角形、五邊形、七邊形等其他的多邊形。關於剛性部件803和突起804的個數與配置，可由突起接觸電壓與膜片接觸電壓的大小關係來決定。例如，在圖18的構造中，在膜片接觸電壓低於突起接觸電壓的情況下，應增加剛性部件803和突起804的數量。此時的配置場所可以是在膜片接觸電壓作用下膜片接觸的部位。實施例6圖19是表示本實施例6的超聲波轉換器的俯視圖。該超聲波轉換器包括圓形的突起904、八邊形的膜片910和 在膜片910的上表面的圓形的剛性部件903或高楊氏模量部件905。剛性部件903與突起904配置在膜片910的中央及其周圍。剛性部件903和突起904被配置成俯視時一部分重合。八邊形的膜片910是一例，也可以是三角形、五邊形、七邊形等其他的多邊形。另外，圓形的突起904是一例，也可以是三角形、五邊形、七邊形等其他的多邊形。另外，對於剛性部件903或高楊氏模量部件905，圓形也是一例，也可以是三角形、五邊形、七邊形等其他的多邊形。關於剛性部件903和突起904的個數與配置，可由突起接觸電壓與I吳片接觸電壓的大小關係來決定。例如，在圖19的構造中，當I吳片接觸電壓低於突起接觸電壓時，應增加剛性部件903和突起904的數量。此時的配置場所可以是在膜片接觸電壓作用下膜片接觸的部位。實施例7參照圖20，對於具備本發明的超聲波轉換器的超聲波診斷裝置的構成及其動作進行說明。超聲波診斷裝置1001包括:超聲波探觸子1002、發送接收分離部1003、發送部1004、偏壓(^ )部1006、接收部1008、整相加法部1010、圖像處理部1012、顯示部1014、控制部1016、操作部1018。超聲波探觸子1002是與被檢體接觸而在與被檢體之間發送接收超聲波的裝置。從超聲波探觸子1002將超聲波發送向被檢體，來自被檢體的反射回聲信號由超聲波探觸子1002接受。實施例1 6中任一個的超聲波轉換器被收納在超聲波探觸子1002的內部，且與後述的發送接收分離部1003電連接。發送部1004以及偏壓部1006是向超聲波探觸子1002供給驅動信號的裝置。接收部1008是接收從超聲波探觸子1002輸出的反射回聲信號的裝置。接收部1008還對接收的反射回聲信號進行模擬數字轉換等處理。發送接收分離部1003是對發送和接收進行切換、分離，使得在發送時從發送部1004向超聲波探觸子1002給予驅動信號，而在接收時從超聲波探觸子1002向接收部1008給予接收信號。整相加法部1010是對接收的反射回聲信號進行整相加法的裝置。圖像處理部1010是根據進行了整相加法後的反射回聲信號，構成診斷圖像(例如，斷層像或血流像)的裝置。顯示部1014是顯示圖像處理後的診斷圖像的顯示裝置。控制部1016是控制上述的各構成要素的裝置。操作部1018是向控制部1016給予指示的裝置。操作部1018例如由徑跡球或鍵盤或滑鼠等輸入機器構成。工業實用性本發明的超聲波轉換器可用於使用超聲波探觸子的超聲波診斷裝置、構造內部的缺陷檢查裝置、物體位置探測裝置、流速測量裝置等。而且，可以實現高發送聲壓與高接收靈敏度，另外，可以使長期驅動下的可靠性提高。符號說明201、301、501、701、801、901 下部電極202、302、502、702 空洞部207、208、209、309、507、508、509、707、708、709 絕緣膜205、305、505、705 上部電極210、310、510、710、810、910 膜片213、313、513、713 空洞下表面203、303、503、803、903 剛性部件204、304、504、704、804、904 突起206、306、506、706 基板211、311、711 突起下表面212、312、512、712 膜片下表面514,714突起上表面703、805、905高楊氏模量部件1001超聲波診斷裝置1002超聲波探觸子1003發送接收分離部1004 發送部1006 偏壓部1008 接收部1010整相加法部1012圖像處理部1014 顯示部1016 控制部
1018 操作部。
權利要求
1.一種超聲波轉換器，其具備:下部電極、形成在所述下部電極上並被絕緣膜包圍的空洞部、形成在所述空洞部上的上部電極、以及形成在所述空洞部內的多個絕緣膜的突起， 其特徵在於， 所述超聲波轉換器具備形成在所述空洞部上的多個剛性部件， 所述下部電極和所述上部電極之中的至少一方的電極通過對與所述絕緣膜的突起重合的部分進行挖空，從而被配置在俯視時不與所述絕緣膜的突起重合的位置， 各個所述剛性部件被配置成存在俯視時與所述絕緣膜的突起重合的區域。
2.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述剛性部件是梁部件， 在由所述絕緣膜、所述上部電極及所述梁部件構成的膜片中，配置有所述梁部件的部分的厚度比未配置梁部件的部分厚，厚的量是梁部件的厚度部分。
3.如權利要求2所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述梁部件配置在所述上部絕緣膜上。
4.如權利要求2所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述梁部件被埋入所述上部絕緣膜的內部。
5.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述剛性部件是楊氏模量比由所述絕緣膜、所述上部電極及所述梁部件構成的膜片高的高楊氏模量部件。
6.如權利要求5所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述超聲波轉換器具備以覆蓋所述上部電極以及所述空洞部的方式形成的上部絕緣膜，所述高楊氏模量部件被埋入所述上部絕緣膜的內部。
7.如權利要求6所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述高楊氏模量部件通過埋入鎢等金屬材料或氧化鋁等陶瓷材料而形成。
8.如權利要求6所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述高楊氏模量部件通過離子的打入而對所述上部絕緣膜進行改質而形成。
9.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述剛性部件的中心被配置成俯視時與所述絕緣膜的突起的中心一致。
10.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 多個所述絕緣膜的突起相對於一個所述剛性部件重合配置。
11.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述絕緣膜的突起配置在所述空洞部的上表面。
12.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述絕緣膜的突起配置在所述空洞部的下表面。
13.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述多個絕緣膜的突起與所述多個剛性部件在俯視時以等間隔配置。
14.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述空洞部在俯視時是圓形或多邊形。
15.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述絕緣物的突起在俯視時是圓形或多邊形。
16.如權利要求1所述的超聲波轉換器，其特徵在於， 所述剛性部件在俯視時是圓形、十字型形狀或多邊形。
17.—種超聲波診斷裝置，其特徵在於，具備權利要求1至16中任一項所述的超聲波轉換器以及偏壓部。
全文摘要
本發明提供一種電容檢測型超聲波轉換器(C M U T)，其實現高發送聲壓和高接收靈敏度，且使長期驅動下的可靠性提高。其具備下部電極(201)、形成在所述下部電極上且被絕緣膜(209、208)包圍的空洞部(202)、形成在所述空洞部上的上部電極(205)、形成在所述空洞部(202)內的多個絕緣膜的突起(204)，其中，具備在所述空洞部上形成的多個剛性部件(203)，所述下部電極(201)和所述上部電極(205)之中的至少一方的電極通過對與所述絕緣膜的突起(204)重合的部分進行挖空，從而配置在俯視時不與所述絕緣膜的突起(204)重合的位置上，各個所述剛性部件(203)被配置成存在俯視時與所述絕緣膜的突起(204)重合的區域。
文檔編號A61B8/00GK103155597SQ20118004845
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月13日 優先權日2010年10月15日
發明者竹崎泰一, 町田俊太郎 申請人:株式會社日立醫療器械