JP2019016912A - Ultrasonic transducer array, ultrasonic probe, and ultrasonic diagnostic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細加工技術を用いて作成される超音波トランスデューサーアレイ、超音波探触子および超音波診断装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic transducer array, an ultrasonic probe, and an ultrasonic diagnostic apparatus that are created using a microfabrication technique.
近年、微細加工技術を用いて製造されるMEMS(Micro Electro Mechanical System)デバイスが普及している。MEMSデバイスは、センサーやトランスデューサー等に用いられる。 In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical System) devices manufactured using microfabrication technology have become widespread. MEMS devices are used for sensors, transducers, and the like.
例えば超音波を生成するトランスデューサー(超音波トランスデューサー)として、例えばシリコン等の基板(基材層)にPZT等の圧電薄膜(駆動層)を形成したユニモルフ構造のダイアフラム(可動膜)を太鼓状に振動させて超音波の送受信を行うpMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer)がある。 For example, as a transducer that generates ultrasonic waves (ultrasonic transducer), for example, a unimorph diaphragm (movable film) in which a piezoelectric thin film (driving layer) such as PZT is formed on a substrate (base material layer) such as silicon is drum-shaped. There is a pMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) that transmits and receives ultrasonic waves.
pMUTは、例えばバルクPZTをダイシング等により分割した圧電素子と比較して、より微細化が可能であるため高感度化・高画質化が望めること、3次元画像を生成するための圧電素子の2次元アレイ化に適していること、小型化および薄型化が可能であること、等の様々な特徴を有する。 The pMUT can be further miniaturized compared to a piezoelectric element obtained by dividing bulk PZT by dicing or the like, for example, so that high sensitivity and high image quality can be expected. It has various features such as being suitable for dimensional arraying and being capable of being reduced in size and thickness.
このようなpMUTを複数配列したpMUTアレイにおいて、例えば貫通電極を設けて信号を取り出す技術が例えば特許文献1に開示されている。
In such a pMUT array in which a plurality of pMUTs are arranged, for example, a technique for providing a through electrode and taking out a signal is disclosed in
よりpMUTアレイの高感度化を図るためには、pMUTセルをできるだけ高密度で配列させることが望ましい。しかしながら、例えば貫通電極を設けて超音波送受信用の信号を取り出すと、貫通電極を設けるための空間を用意する必要があるため、pMUTセル密度が低下してしまう。pMUTセル密度の低下は、pMUTアレイの低感度化・低画質化を招くため、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができるpMUTアレイが要望されている。 In order to increase the sensitivity of the pMUT array, it is desirable to arrange the pMUT cells as densely as possible. However, for example, when a through electrode is provided and a signal for ultrasonic transmission / reception is taken out, it is necessary to prepare a space for providing the through electrode, so that the pMUT cell density decreases. The decrease in pMUT cell density leads to lower sensitivity and lower image quality of the pMUT array. Therefore, there is a demand for a pMUT array that can extract signals for ultrasonic transmission / reception without using through electrodes.
本発明は、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができる超音波トランスデューサーアレイ、超音波探触子および超音波診断装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer array, an ultrasonic probe, and an ultrasonic diagnostic apparatus that can extract an ultrasonic wave transmission / reception signal without using a through electrode.
本発明の超音波トランスデューサーアレイは、1つ以上のpMUTセルが基板上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、個々の前記pMUTセルは、前記基板上に設けられた開口部を閉塞するように前記基板上に設けられた振動板、および、前記振動板の前記開口部とは反対側の面に設けられた電極および圧電材料層を含むダイアフラムと、前記開口部内に設けられ、前記ダイアフラムの駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材と、を有する。 The ultrasonic transducer array of the present invention is an ultrasonic transducer array in which one or more pMUT cells are arranged on a substrate, and each of the pMUT cells closes an opening provided on the substrate. A diaphragm provided on the substrate, a diaphragm including an electrode and a piezoelectric material layer provided on a surface opposite to the opening of the diaphragm, and provided in the opening, A conducting member for ensuring electrode conduction for driving and receiving the diaphragm.
本発明の超音波探触子は、上記超音波トランスデューサーアレイを備えた超音波探触子である。 The ultrasonic probe of the present invention is an ultrasonic probe provided with the above-described ultrasonic transducer array.
本発明の超音波診断装置は、上記超音波トランスデューサーアレイを備えた超音波探触子から得られた超音波受信信号を用いて超音波診断装置を生成する超音波診断装置である。 The ultrasonic diagnostic apparatus of the present invention is an ultrasonic diagnostic apparatus that generates an ultrasonic diagnostic apparatus using an ultrasonic reception signal obtained from an ultrasonic probe including the ultrasonic transducer array.
本発明によれば、貫通電極を用いずに超音波送受信用の信号を取り出すことができる。 According to the present invention, a signal for ultrasonic transmission / reception can be extracted without using a through electrode.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated example. In addition, in the following description, what has the same function and structure attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits the description.
図1は、超音波診断装置の外観構成を示す図である。図2は、本実施の形態に係る超音波診断装置の電気的な構成例を示すブロック図である。 FIG. 1 is a diagram showing an external configuration of an ultrasonic diagnostic apparatus. FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration example of the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present embodiment.
超音波診断装置1は、超音波診断装置本体10と、超音波探触子20と、ケーブル30とを有する構成を採る。
The ultrasonic
超音波探触子20は、被検体である人体(図示せず)に対して超音波信号を送信し、人体で反射された超音波信号を受信する。
The
超音波診断装置本体10は、ケーブル30を介して超音波探触子20と接続され、超音波探触子20へケーブル30を介して電気信号の送信信号を送信することによって超音波探触子20に対して超音波信号を送信させる。また、超音波診断装置本体10は、超音波探触子20が受信した超音波信号に基づいて超音波探触子20において生成された電気信号を用いて、人体の内部状態を超音波画像として画像化する。
The ultrasonic diagnostic apparatus
具体的には、超音波診断装置本体10は、操作入力部11と、送信部12と、受信部13と、画像処理部14と、表示部15と、制御部16と、を含む構成を採る。
Specifically, the ultrasonic diagnostic apparatus
操作入力部11は、例えば、診断開始等を指示するコマンドまたは被検体に関する情報を入力する。操作入力部11は、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルまたはキーボード等である。
The
送信部12は、ケーブル30を介して、制御部16から受け取る制御信号(駆動信号)を超音波探触子20へ送信する。
The
受信部13は、超音波探触子20からケーブル30を介して送信される受信信号を受信する。そして、受信部13は、受信した超音波信号を画像処理部14へ出力する。
The
画像処理部14は、制御部16の指示に従って、受信部13から受け取る超音波信号を用いて被検体内の内部状態を表す超音波診断用の画像(超音波画像)を生成する。
The
表示部15は、制御部16の指示に従って、画像処理部14において生成された超音波画像を表示する。
The
制御部16は、操作入力部11、送信部12、受信部13、画像処理部14、表示部15をそれぞれの機能に応じて制御することによって、超音波診断装置1の全体制御を行う。
The
[超音波探触子について]
図3は、超音波探触子20の構成について説明するための図である。超音波探触子20は、保護層21と、超音波送受信トランスデューサーアレイとしてのpMUTエレメント22と、バッキング材23と、信号処理回路24とを備えている。なお、pMUTエレメント22の詳細については後述する。
[About Ultrasonic Probe]
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the
保護層21は、pMUTエレメント22を保護するものである。この保護層21は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、音響インピーダンスが比較的人体に近い、比較的柔軟なシリコーンゴム等で形成されている。
The
バッキング材23は、pMUTエレメント22で発生する不要振動を減衰する。信号処理回路24は、超音波送信用のパルス信号の生成や、受信パルス信号の処理等を行う回路であり、ケーブル30を介して超音波診断装置本体10に接続されている。
The
[pMUTエレメントについて]
pMUTエレメント22は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて製造された複数のpMUTセル100が1次元的あるいは2次元的に配置されたpMUTアレイである。pMUTエレメント22は、本発明の超音波トランスデューサーアレイの一例である。
[About pMUT element]
The
図4Aおよび図4Bは、pMUTエレメント22を構成するpMUTセル100を2次元的に配列した例を示す図である。図4AはpMUTセル100を直交格子上に配列した例を、図4BはpMUTセル100を三角格子上に配列した例を、それぞれ示している。
4A and 4B are diagrams illustrating an example in which the
図4Aおよび図4Bにおいて、互いに隣接する複数のpMUTセル100が電気的に並列接続され、チャンネルchを構成している。図4Aおよび図4Bの例では、1チャンネルが3×11セルで構成されており、図4Aおよび図4Bには、ch_1〜ch_3の3チャンネル分が図示されている。図4Aおよび図4Bにおいて、チャンネルch_1〜ch_3の外部にもpMUTセル100が配列されているが、これらは超音波の送受信機能を有しないセルである。本実施の形態において、これら送受信機能を有しないセルのことをダミーセル100Dと称することがある。一方、図4Aおよび図4Bにおいてチャンネルch_1〜ch_3に含まれる、超音波送受信機能を有するセルのことを、アクティブセル100Aと称することがある。
4A and 4B, a plurality of
ダミーセル100Dは、チャンネルch端部のセルとチャンネルch内部のセルとの構造境界的対称性を保つために設置される。ダミーセル100Dは、チャンネルchの外側の、pMUTエレメント22にて使用する超音波の周波数帯域の最小周波数で1波長分(10セル程度)の幅を有する領域内に設けられる。また、ダミーセル100Dの機械的構造は、アクティブセル100Aと基本的には同一である。換言すれば、pMUTエレメント22は、基板上に所定数だけ格子上に配列したpMUTセル100のうち、端部から1波長分の幅に対応するダミーセル領域を除いた領域に、複数個のセルを電気的に並列接続して少なくとも1つのチャンネルchが構成されればよい。
The
なお、アクティブセル100Aの周囲にダミーセル100Dを設けるのは以下の理由による。エッチングによってセルを作成する際に、基板の端部付近では、エッチング液が中央部付近よりも比較的多く流れ込むことによってエッチングレートが部分的に速くなることがある。その場合、基板の中央部付近と端部付近とで形成されるセルの形状にばらつきが生じ、それによりセルの特性にもばらつきが生じることがある。すなわち、ダミーセル100Dを設ける1つ目の理由は、基板の端部付近のセルを超音波送受信に用いないようにすることで、アクティブセル100Aの形状のばらつきを抑え、アクティブセル100Aの特性を均質化することができるからである。
The reason why the
2つ目の理由は、以下の通りである。ダミーセルを設けない場合、チャンネル中央のセルの周囲には他のセルが存在するが、チャンネル端のセルの外側には他のセルが存在しないことになる。その結果、機械振動の境界条件がチャンネル中央と端部とで異なり、セルの共振周波数や振動振幅がセル毎に変動してチャンネル内でのセル特性が不均質になる。すなわち、2つ目の理由は、ダミーセルを設けることにより、チャンネル端部でもチャンネル内部と同様な機械的境界条件とすることができ、結果としてチャンネル全体の振動特性を均質化できるからである。 The second reason is as follows. When the dummy cell is not provided, other cells exist around the cell at the center of the channel, but no other cell exists outside the cell at the channel end. As a result, the boundary condition of the mechanical vibration is different between the center and the end of the channel, and the resonance frequency and vibration amplitude of the cell fluctuate from cell to cell, resulting in inhomogeneous cell characteristics in the channel. That is, the second reason is that by providing dummy cells, the same mechanical boundary condition as the inside of the channel can be obtained at the end of the channel, and as a result, the vibration characteristics of the entire channel can be homogenized.
以下の説明においては、図4Aに示すように、各セルが直交格子上に配列された場合について説明する。しかしながら、pMUTエレメント22の感度を向上させるという観点からすれば、図4Bに示すようにセルを三角格子上に配列した方が、セル密度を高くできるのでより好適である。
In the following description, as shown in FIG. 4A, a case will be described in which each cell is arranged on an orthogonal lattice. However, from the viewpoint of improving the sensitivity of the
[pMUTセル100の構造]
次に、個々のpMUTセル100の構造について説明する。図5は、pMUTセル100の断面図である。pMUTセル100は、開口部101bを有する基板101と、振動板102aと、圧電材料層103と、上部電極104aと、下部電極104bとを備えている。なお、以下の説明において、基板101に対して、上部電極104a、圧電材料層103、および下部電極104bが設けられた側を上側とし、その反対側(開口部101bが設けられた側)を下側とする。
[Structure of pMUT Cell 100]
Next, the structure of each
基板101は、例えばシリコン基板である。基板101の両面にはSiO2層101aが成膜されている。また、上側のSiO2層101aの上側には高ドープシリコン層(以下HDSi層)102が接合されている。振動板102aは、HDSi層102の一部であって、基板101に設けられた開口部101bを閉塞する薄板構造である。
The
圧電材料層103は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の薄膜で構成されており、電界印加によって振動板102aを振動させるべく、振動板102aに対して開口部101bとは反対側(上側)に形成されている。
The
上部電極104aは、圧電材料層103の上側に設けられる電極である。一方、下部電極104bは、圧電材料層103の下側に設けられる電極である。下部電極104bは、振動板102aを介して後述する導通部材108と導通している。
The
振動板102a、圧電材料層103、上部電極104a、および下部電極104bは、例えば断面円形状等にパターニング形成されている。なお、振動板102a、圧電材料層103、上部電極104a、および下部電極104bの断面形状は、円形状以外の形状、例えば正八角形等の多角形の形状であってもよい。また、上部電極104a、下部電極104bの形状が圧電材料103の断面形状とが異なる形状であってもよい。このようにパターニング形成された振動板102aと、圧電材料層103、上部電極104a、および下部電極104bによって、圧電素子としてのダイアフラム(可動膜)105が構成される。
The
絶縁層106は、パターニング形成された圧電材料層103、上部電極104a、および下部電極104bを覆うように設けられる絶縁材料の層である。なお、図5に示すように、上部電極104aの上端部は絶縁層106から露出している。上部電極104aの上部には、上部電極104aの引き出し電極(図示せず)がさらに設けられてもよい。絶縁層106は、低誘電率の絶縁材料、例えば、ポリシリコン、エポキシ、ポリウレア、ポリイミド、ポリ尿素、パリレン(登録商標)等で形成されればよい。
The insulating
絶縁層107は、開口部101bの内壁面に沿って形成された絶縁材料の層である。絶縁層107は、基板101の開口部101bから露出する構成、すなわちHDSi層102(振動板102a)、SiO2層101a、基板101等を覆うように設けられる。絶縁層107は、例えばSiO2等で形成された絶縁被膜である。
The insulating
絶縁層107の一部には開口が設けられ、この開口を介して後述の導通部材108がHDSi層102(振動板102a)と接触している。なお、図5では絶縁層107の一部に開口が設けられている場合を例示しているが、絶縁層107の振動板102aと接する部位の全体に開口が設けられていてもよい。
An opening is provided in a part of the insulating
導通部材108は、下部電極104bとの導通を確保するための部材である。導通部材108は、導電性の良い金属等により構成される。導通部材108は、単層の金属により構成されてもよいし、複数層の金属(例えばNi層を下地としてCu層をさらにメッキする等)により構成されてもよい。
The
このような構成を有するpMUTセル100は、基板101上に少なくとも1つ形成され、例えばACF圧着等によってLSI基板等と接続される。導通部材108は、LSI基板上に設けられた、pMUTセル100に対する信号の入出力を行う信号検出回路と接続されている。信号検出回路は、上記した信号処理回路24を介して(あるいは介さずに)ケーブル30を介して(あるいは無線によりケーブルを介さずに)超音波診断装置本体10と接続されており、超音波診断装置本体10の制御に基づいてpMUTセル100に駆動信号を入力したり、pMUTセル100から受信信号を受信して超音波診断装置本体10に出力したりする。なお、本実施の形態では、導通部材108および下部電極104bを介して駆動信号および受信信号が入出力されるものとする。
At least one
このように、pMUTセル100では、下部電極104bの導通が振動板102aを介した導通部材108によって確保される。このため、例えば基板101を貫通する貫通電極等を設けずとも、下部電極104bから超音波送受信用の信号引き出しを行うことができる。
Thus, in the
[振動板102a(HDSi層102)の材料について]
上記したように、導通部材108は、振動板102a(HDSi層102)を介して下部電極104bとの導通を確保している。このため、HDSi層102は、上記したように、例えば1mΩ・cm以下の抵抗率を有する必要がある。このような抵抗率を有するSi層は、例えばシリコンにリン、ホウ素、リン化ガリウム、砒化ガリウム等のドーパントをドーピング濃度1019cm−3程度ドーピングして得られる。
[Material of diaphragm 102a (HDSi layer 102)]
As described above, the conducting
[作成方法]
次に、pMUTセル100の作成方法について説明する。図6A〜図6Gは、pMUTセル100の作成方法を説明するための図である。
[How to make]
Next, a method for creating the
まず図6Aに示すようにシリコンウエハーを用意する。このシリコンウエハーは図5に示す基板101に対応する。このシリコンウエハーの両面に例えば熱酸化炉でSiO2層(図5のSiO2層101aに対応)を生成し、一方の面に表面活性処理を行った高ドープシリコンウエハー(図5のHDSi層102に対応)を直接接合する(図6B)。なお、以下では、シリコンウエハーから見て高ドープシリコンウエハーを接合した側を上側として説明を行う。
First, a silicon wafer is prepared as shown in FIG. 6A. This silicon wafer corresponds to the
次に、図6Cに示すように、高ドープシリコン層の上部に、下部電極層(図5の下部電極104bに対応)、圧電材料層(図5の圧電材料層103に対応)、上部電極層(図5の上部電極104aに対応)を順次成膜する。下部電極層および上部電極層は、例えばチタン30nm、プラチナ100nm程度の積層構造であって、例えばスパッタや真空蒸着等により形成される。圧電材料層103は、例えば1〜3μm程度のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層であって、スパッタや化学溶液法により形成される。なお、圧電特性の対称性の観点から、上部電極層と下部電極層とは同じ構成とすることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 6C, a lower electrode layer (corresponding to the
次に、図6Dに示すように、上部電極層、圧電材料層、および下部電極層をパターニングした後、絶縁層(図5の絶縁層107に対応)を形成する。具体的には、まず圧電材料層(PZT)がエッチングストップ層(高選択比)となるようなエッチャント(例えばArガス、Clガス等)を用いて、上部電極パターンを形成する。そして、下部電極層がエッチングストップ層となるようなエッチャント(例えば、フッ酸と硝酸の混合液)を用いて圧電材料層をパターニングする。さらに、シリコン層がエッチングストップ層となるようなエッチャント(例えばArガス、Clガス等)を用いて、下部電極パターンを形成する。なお、図示は省略するが、隣接セルとの隔離のため、下部電極層の下の高ドープシリコンウエハーをさらにエッチングしてもよい。そして、スパッタや真空蒸着装置等を用いて低誘電率の絶縁材料を堆積させて絶縁層を形成する。また、CMP(化学機械研磨)処理等を用いて上部電極層を露出させ、上部電極層の引き出し用電極(図示は省略)を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, after patterning the upper electrode layer, the piezoelectric material layer, and the lower electrode layer, an insulating layer (corresponding to the insulating
そして、図6Eに示すように、下側からSiO2層およびSi層をエッチングして開口部(図5の開口部101bに対応)を形成する。具体的には、下側のSiO2層を例えばフッ酸等でエッチングした後、SiO2層がエッチングストップ層となるようなエッチャントを用いて、深掘りRIE(Deep RIE(反応性イオンエッチング))によりシリコンウエハーをエッチングする。例えばボッシュ法ではSF6をエッチングガスとし、C4F8を開口部の側壁保護のためのパッシベーションとして交互に導入することが望ましい。さらに、上側のSiO2層をCF4等のエッチングガスを用いたRIE(反応性イオンエッチング)や、液相または気相のフッ酸等を用いてエッチングする。
Then, as shown in FIG. 6E, the SiO 2 layer and the Si layer are etched from below to form openings (corresponding to the
次に、図6Fに示すように、開口部の内壁面を覆うようにSiO2等の絶縁被膜(図5の絶縁層107に対応)をCVD(化学気相蒸着)等にて形成する。
Next, as shown in FIG. 6F, an insulating film such as SiO 2 (corresponding to the insulating
その後、図6Gに示すように、図6Fで形成した絶縁被膜の一部をエッチングにより除去して高ドープシリコンウエハー表面を露出した後、導通部材(図5の導通部材108に対応)を例えば無電解メッキ等で単層または複数層成膜する。導通部材は、例えば0.1μm程度の厚さを有する導電性の高い金属膜である。
Thereafter, as shown in FIG. 6G, a part of the insulating film formed in FIG. 6F is removed by etching to expose the surface of the highly doped silicon wafer, and then a conducting member (corresponding to the conducting
[pMUTエレメント22の奏する効果]
次に、本発明の実施の形態に係るpMUTセル100を1つ以上備えたpMUTエレメント22の奏する効果について、貫通電極を用いて超音波送受信用の信号引き出しを行う場合と比較して具体的に説明する。
[Effects of pMUT element 22]
Next, the effect of the
図7Aおよび図7Bは、下部電極からの超音波送受信用の信号引き出しを、貫通電極を用いて行う場合のpMUTセルの構成例である。図7Aは、貫通電極を有するpMUTセルの断面図であり、図7Bは、図7Aに示すセルが所定の大きさの基板上に複数個配列された例を示す平面図である。一方、図7Cは、本発明の実施の形態に係るpMUTセル100が図7Bと同じ大きさの基板上に配列された例を示す平面図である。
FIG. 7A and FIG. 7B are configuration examples of the pMUT cell when the signal extraction for ultrasonic transmission / reception from the lower electrode is performed using the through electrode. 7A is a cross-sectional view of a pMUT cell having a through electrode, and FIG. 7B is a plan view showing an example in which a plurality of cells shown in FIG. 7A are arranged on a substrate having a predetermined size. On the other hand, FIG. 7C is a plan view showing an example in which the
図7Aに示す例では、基板(シリコンウエハー)の上側から下側まで貫通するように貫通電極が設けられており、この貫通電極により、下部電極から超音波送受信用の信号引き出しが行われる。このように超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合、図7Bに示すように、1つのセル内において、ダイアフラム(振動板、圧電材料層、上部電極および下部電極で構成される)以外に貫通電極を設けるためのスペースが必要となる。 In the example shown in FIG. 7A, a through electrode is provided so as to penetrate from the upper side to the lower side of the substrate (silicon wafer), and a signal for ultrasonic transmission / reception is extracted from the lower electrode by the through electrode. When a through electrode for extracting signals for ultrasonic transmission / reception is provided in this way, a diaphragm (diaphragm, piezoelectric material layer, upper electrode and lower electrode is formed in one cell as shown in FIG. 7B. In addition to the above, a space for providing a through electrode is required.
一方、pMUTセル100では、上記したようにダイアフラムの下側に存在する開口部101b内に下部電極104bと外部との導通を確保する導通部材108が設けられている。このため、図7Cに示すように、ダイアフラムの周囲に貫通電極を設けるためのスペースを確保する必要がなく、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合と比較して、それぞれのpMUTセル100の大きさを小さくすることができる。このため、pMUTエレメント22内にpMUTセル100を高密度で配列することができるので、pMUTエレメント22によって高感度な超音波トランスデューサーを作成することができる。
On the other hand, in the
また、pMUTセル100では、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設ける場合と比較して、セル毎の大きさが小さいため構造周期が小さくなり、サイドローブ角を大きくすることができ、超音波診断装置本体10にて生成される超音波画像からサイドローブによる虚像の影響を抑え、画質を向上させることができる。
Further, in the
また、pMUTセル100は、図7Cに示すように、対称性が高い構造を有するため、pMUTエレメント22内に配列されるpMUTセル100毎の振動特性を均質化させることができる。これにより、pMUTエレメント22の超音波トランスデューサーとしての感度を向上させることができる。
Moreover, since the
下記の表1は、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するpMUTセルを用いたpMUTアレイの特性と、本発明の実施の形態に係るpMUTセル100を用いたpMUTアレイの特性と、を比較した表である。また、図8は、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を有するpMUTセルを用いたpMUTアレイの特性と、本発明の実施の形態に係るpMUTセル100を用いたpMUTアレイの特性と、を比較した図である。表1および図8は、各pMUTアレイを超音波トランスデューサーとして用いた場合の周波数特性を有限要素法により算出したものである。従来例1は、貫通電極の直径が20μm、セルピッチが110μmであり、従来例2は貫通電極の直径が40μmmセルピッチが150μmである。また、本発明のセルピッチは66μmが想定されている。
Table 1 below shows the characteristics of the pMUT array using the pMUT cell having the through electrode for performing signal extraction for ultrasonic transmission / reception, and the characteristics of the pMUT array using the
表1および図8に示すように、pMUTセル100を用いた場合、ピーク感度を低下させずに帯域幅を拡大することができる。換言すれば、pMUTセル100を用いた場合、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を用いた場合より広い周波数帯域で高い送信感度を得ることができる。また、表1に示すように、セル密度を高くすることができる。
As shown in Table 1 and FIG. 8, when the
<作用・効果>
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る超音波トランスデューサーアレイは、1つ以上のpMUTセル100が基板101上に配列された超音波トランスデューサーアレイであって、個々のpMUTセル100は、基板101上に設けられた開口部101bを閉塞するように基板101上に設けられた振動板102a、および、振動板102aの開口部101bとは反対側の面に設けられた上部電極104a、圧電材料層103、および下部電極104bを含むダイアフラム105と、開口部101b内に設けられ、ダイアフラム105の駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材108と、を有する。
<Action and effect>
As described above, the ultrasonic transducer array according to the embodiment of the present invention is an ultrasonic transducer array in which one or more
このような構成により、超音波送受信用の信号引き出しを行うための貫通電極を設けた場合と比較して、pMUTセル100の大きさを小さくすることができるので、セル密度を向上させることができる。このため、広帯域化や受信感度の向上が実現される。また、チャンネルピッチが縮小されるので、サイドローブ角が増大し超音波画像の画質改善が見込まれる。また、ダイアフラム105を構成する開口部101bに導通部材108を設けることにより、超音波トランスデューサーアレイ全体の構造強度を向上させることができる。さらに、個々のpMUTセル100が対称性の高い構造を有するので、pMUTセル100毎(あるいはチャンネル毎)の振動特性を均質化でき、超音波トランスデューサーアレイ全体の受信感度を向上させることができる。
With such a configuration, since the size of the
<変型例>
以上、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。特許請求の範囲の記載範囲内において、当業者が想到できる各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。以下では、種々の変型例について具体的に説明する。
<Modification example>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described referring drawings, this invention is not limited to this example. Various changes or modifications that can be conceived by those skilled in the art within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention. In addition, the constituent elements in the above embodiments may be arbitrarily combined within the scope not departing from the spirit of the disclosure. Hereinafter, various modified examples will be described in detail.
[変型例1]
上記説明した実施の形態において、開口部101bは単なる空洞であったが、開口部101bには例えば真空や不活性ガス等が封止されてもよい。あるいは、開口部101bには液体、樹脂等を充填してもよい。これらを封止または充填する場合、開口部101b内の入口部分(例えば図5に示す開口部101bの下端付近)に導電性材料(金属、導電性樹脂、導電性酸化物)を設けるようにしてもよい。このようにすることで、導通部材108の保護、導通安定、広帯域化等の効果が得られる。
[Modification Example 1]
In the embodiment described above, the
[変型例2]
上記説明した実施の形態では、全てのpMUTセル100に導通部材108を設けていたが、例えば全てのpMUTセル100には導通部材108を設けず、チャンネルch内の1つ以上のpMUTセル100にのみ導通部材108を設けるようにしてもよい。すなわち、本発明では、チャンネルch内において導通部材を設けたセルが1つであってもよいが、導通断線時等を考慮して複数のセルに導通部材を設けることが望ましい。
[Modification Example 2]
In the embodiment described above, the
[変型例3]
上記説明した実施の形態において、上部電極104aには引き出し電極(図示せず)が接続されていたが、例えば基板101を貫通する貫通電極を設け、これによって上部電極104aからの信号の引き出しを行うようにしてもよい。なお、上部電極104aはチャンネル間共通電極(GND)であり、変型例3のように上部電極用104aに貫通電極を設けてもその数はごく少数で済む。このため、上部電極104a用に貫通電極を設けても、チャンネル全体における振動特性には大きな影響はない。
[Modification Example 3]
In the above-described embodiment, the extraction electrode (not shown) is connected to the
[変型例4]
上部電極104aからの信号引き出しを行う貫通電極を設ける場合、以下のような構成が好適である。図9Aおよび図9Bは、4つのセルの上部電極104aを並列結合した変型例4について説明するための図である。図9Aは平面図であり、図9Bは図9AのA−A断面図である。
[Modification Example 4]
In the case of providing a through electrode for extracting a signal from the
図9Aおよび図9Bに示すように、変型例4では、4つのセルの上部電極104aを並列結合して中央に貫通電極104aTを設けている。このような構成により、セルの大きさを大きくすることなく、上部電極104aからの信号引き出しを行う貫通電極を設けることができる。また、このような構成により、各セルの振動特性の対称性を確保することができる。
As shown in FIGS. 9A and 9B, in the modified example 4, the
[変型例5]
上記変型例4では、4つのセルの上部電極のみを並列結合しており、下部電極104bについてはセル毎に独立させていたが、下部電極104bも並列結合させるようにしてもよい。図10Aおよび図10Bは、4つのセルの上部電極104aと下部電極104bを並列結合した場合の変型例5について説明するための図である。図10Aは平面図であり、図10Bは図10AのB−B断面図である。図10Aおよび図10Bに示すように、変型例5では、4つのセルの下部電極104bを並列結合し、4つのセルのうち1つのセルにのみ導通部材108を開口部101b内に設けている。
[Modification Example 5]
In the modified example 4, only the upper electrodes of the four cells are coupled in parallel and the
このような構成により、セルの大きさを大きくすることなく、上部電極104aからの信号引き出しを行う貫通電極を設けることができる。なお、図10Aおよび図10Bに示す変型例5では、4つのセルのうち1つのセルにのみ導通部材108を設けていたが、2つ以上のセルに導通部材108を設けるようにしてもよい。
With such a configuration, it is possible to provide a through electrode that extracts a signal from the
[変型例6]
一般に、pMUTは狭帯域特性を有する。上記実施の形態にて説明したpMUTセル100を用いた超音波トランスデューサーアレイでは、貫通電極を設けない構成によりセル密度を向上させているため、貫通電極を設けた構成と比較して広帯域化されているが、より広帯域化するため、以下の変型例6のような構成を有してもよい。
[Modification Example 6]
In general, the pMUT has a narrow band characteristic. In the ultrasonic transducer array using the
図11Aおよび図11Bは、複数種類の固有振動数を有するpMUTセルを混在させた場合のpMUTアレイを例示した平面図であり、図11Cは、狭帯域セルを複合した場合にアレイ全体で広帯域化される様子を示した概念図である。図11Aは2チャンネルの1次元アレイの構成例を、図11Bは2チャンネル×2チャンネルの2次元アレイの構成例を、それぞれ示している。図11Aおよび図11Bにおいて、複数種類の固有振動数を有するセルが混在して配列されている。 FIG. 11A and FIG. 11B are plan views illustrating a pMUT array in the case where pMUT cells having a plurality of types of natural frequencies are mixed, and FIG. It is the conceptual diagram which showed a mode that it was performed. FIG. 11A shows a configuration example of a two-channel one-dimensional array, and FIG. 11B shows a configuration example of a two-channel × two-channel two-dimensional array. 11A and 11B, cells having a plurality of types of natural frequencies are mixedly arranged.
このように複数種類の固有振動数を有するセルを混在させることにより、図11Cに示すように、アレイ全体をより広帯域化させることができるようになる。 By mixing cells having a plurality of types of natural frequencies in this way, the entire array can be broadened as shown in FIG. 11C.
[変型例7]
上記説明した実施の形態では、全てのチャンネルに含まれるpMUTセル100を超音波の送受信用に用いていたが、送信用のチャンネルと受信用のチャンネルとを別々に設けてもよい。なお、送信用チャンネルに含まれるpMUTセルは、圧電材料層103の誘電率が受信用チャンネルに含まれるpMUTセルよりも大きくなることが望ましい。具体的には、例えば図6Cに示す下部電極104bを送信用チャンネルに含まれるpMUTセルと受信用チャンネルに含まれるpMUTセルとで異なる材料を用いて成膜することで、その上に成膜された圧電材料層103の誘電率を送信用チャンネルと受信用チャンネルとで異ならせることができるようになる。
[Modification Example 7]
In the embodiment described above, the
本発明は、pMUTを用いて超音波を送受信する超音波トランスデューサーアレイに利用することができる。 The present invention can be used for an ultrasonic transducer array that transmits and receives ultrasonic waves using a pMUT.
1 超音波診断装置
10 超音波診断装置本体
11 操作入力部
12 送信部
13 受信部
14 画像処理部
15 表示部
16 制御部
20 超音波探触子
21 保護層
22 pMUTエレメント
23 バッキング材
24 信号処理回路
30 ケーブル
100 pMUTセル
100A アクティブセル
100D ダミーセル
101 基板
101a SiO2層
101b 開口部
102 高ドープシリコン(HDSi)層
102a 振動板
103 圧電材料層
104a 上部電極
104aT 貫通電極
104b 下部電極
105 ダイアフラム
106 絶縁層
107 絶縁層
108 導通部材
DESCRIPTION OF
Claims (10)
個々の前記pMUTセルは、
前記基板上に設けられた開口部を閉塞するように前記基板上に設けられた振動板、および、前記振動板の前記開口部とは反対側の面に設けられた電極および圧電材料層を含むダイアフラムと、
前記開口部内に設けられ、前記ダイアフラムの駆動用および受信用の電極導通を確保する導通部材と、
を有する、超音波トランスデューサーアレイ。 An ultrasonic transducer array in which one or more pMUT cells are arranged on a substrate,
Each said pMUT cell is
A diaphragm provided on the substrate so as to close an opening provided on the substrate; and an electrode and a piezoelectric material layer provided on a surface of the diaphragm opposite to the opening. Diaphragm,
A conducting member that is provided in the opening and ensures electrode conduction for driving and receiving the diaphragm;
An ultrasonic transducer array.
請求項1に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 The electrode and the conducting member are conducted through the diaphragm,
The ultrasonic transducer array according to claim 1.
請求項2に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 The diaphragm is composed of highly doped silicon having a resistivity of 1 mΩ · cm or less.
The ultrasonic transducer array according to claim 2.
請求項1に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 A plurality of channels electrically connecting a plurality of the pMUT cells are disposed on the substrate;
The ultrasonic transducer array according to claim 1.
請求項4に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 The channel vibrates the diaphragm when a driving signal is input to the electrode through the conducting member, and transmits an ultrasonic wave. When the ultrasonic wave is received, the channel outputs the vibration of the diaphragm as a reception signal. Composed of multiple pMUT cells,
The ultrasonic transducer array according to claim 4.
請求項5に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 Around the channel, a predetermined number or more of pMUT cells that do not transmit and receive ultrasonic waves are disposed.
The ultrasonic transducer array according to claim 5.
請求項5に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 The channel includes a channel that performs only ultrasonic transmission and a channel that performs only ultrasonic reception.
The ultrasonic transducer array according to claim 5.
請求項1から7のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサーアレイ。 When the plurality of pMUT cells are arranged on the substrate, the plurality of pMUT cells have two or more types of natural frequencies.
The ultrasonic transducer array according to any one of claims 1 to 7.
超音波探触子。 The ultrasonic transducer array according to any one of claims 1 to 8, comprising:
Ultrasonic probe.
超音波診断装置。
An ultrasonic diagnostic image is generated using an ultrasonic reception signal obtained from an ultrasonic probe including the ultrasonic transducer array according to any one of claims 1 to 8.
Ultrasound diagnostic device.
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