具体实施方式
参照附图说明本发明适用的超声波探头2及超声波诊断装置1。图1为本发明的超声波诊断装置1的框图。
如图1所示,超声波诊断装置由超声波探头2、发信机构4、偏置机构6、收信机构8、相位调整加算机构10、图像处理机构12、显示机构14、控制机构16和操作机构18构成。
超声波探头2与被检测体接触,在与被检测体之间发送接收超声波。超声波探头2向被检测体发射超声波,且接收由被检测体产生的反射回波信号。
利用发送机构4及偏置机构6对超声波探头2供给驱动信号,收信机构8接收由超声波探头2输出的反射回波信号,对应接收到的反射回波信号而实施模拟数字转换等处理。相位调整加算机构10将接收到的反射回波信号进行相位调整加算。图像处理机构12基于相位调整加算后的反射回波信号而构成诊断图像(例如,断层像、血流像等)。并且,显示机构14将图像处理后的诊断图像显示到显示画面上。控制机构16为控制上述各结构要素的机构。操作机构18为对控制机构16施加指令的机构,由光标或键盘等构成。
接下来,参照图2详细说明超声波探头2。图2为超声波探头2的立体图及解体图。超声波探头2为多个振子20a~20m(m:自然数)排列为长方形的一元阵列型。但是,也可以采用二元阵列型、凸面型等其他的方式。在振子20a~20m的背面侧设置有背衬层22。
在此,将聚集的振子20a~20m称为cMUT芯片。cMUT的详细情况在非专利文献(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer:IEEE Trans.Ultrason.Ferroelect.Freq.Contr.Vol45 pp.678-690 May 1998)中记述。另外,在cMUT芯片20的超声波发射侧配设有音响透镜26。并且,可以在音响透镜26和cMUT芯片20之间插入背衬层22。
振子20a~20m(m为任意)将来自发信机构4及偏置机构6的驱动信号变换为超声波而向被检测体发射超声波。收信机构8接收由被检测体产生的超声波,转换为电气信号而使其成为反射回波信号。背衬层22吸收从振子20a~20m向背面侧发射的超声波的传播,抑制多余的振动。音响透镜26使从振子20a~20m发射的超声波波束收敛,基于1个焦点距离而确定曲率。并且,也可以在振子20a~20m和被检测体之间设置使振子20a~20m和被检测体的音响阻抗整合的整合层。
振动要件28的机电耦合系数即发送接收信号灵敏度根据由偏置机构6施加的直流偏置的电位大小而变化,振动要件28为如下的电气·音响转换单元:基于其机电耦合系数,将由发信机构4供给的驱动信号转换为超声波而发射,且将接收的超声波转换为接收电气信号并作为反射回波信号接收。
图3为示意地表示本发明的振动要件28的构造的图。振动要件28通过利用半导体处理的微细加工而形成,由半导体基板40、膜体44、膜体45、上部电极46、框体47、下部电极48等构成。膜体44、膜体45、框体47由半导体化合物(例如硅化合物)形成,载置于框体47的超声波发射侧的表面。在膜体44和框体47之间设置有上部电极46。在半导体基板40和膜体45之间设置有下部电极48。
上部电极46、下部电极48与发信机构4和偏置机构6连接,其中发信机构4含有供给驱动信号的电源,偏置机构6施加直流的偏置电压(电场强度)。由框体47和膜体45区划的内部空间50为真空状态,或为填充有规定气体的状态。
在此,说明振动要件28的动作。首先,通过上部电极46、下部电极48对振动要件28施加直流的偏置电压(Va)。通过偏置电压(Va)产生电场。由于产生的电场使膜体44紧张因而机电耦合系数变为Sa。并且,通过对上部电极46供给来自发信机构4的驱动信号,基于机电耦合系数(Sa)由膜体44发射超声波。或者,代替偏置电压(Va),对振动要件28施加偏置电压(Vb)。这时,机电耦合系数变为(Sb)。并且,通过对上部电极46供给来自发信机构4的驱动信号,基于机电耦合系数(Sb)由膜体44发射超声波。并且,在Va<Vb时,Sa<Sb。在接收超声波时也同样,通过来自被检测体产生的反射回波信号激发膜体44的振动,由此内部空间50的电容变化,对应变化后的内部空间50的变化量的电气信号由上部电极46测出。
若通过改变施加到振动要件28上的偏置电压的大小而控制膜体44的紧张度,则即使输入同一振幅的驱动信号,也可以使由振动要件28发射的超声波的声压(例如振幅)变化。
(第一实施方式)
在此,利用图4详细说明第一实施方式、cMUT芯片20及其周边的结构。图4为超声波探头2的俯视图。并且省略膜体44的表示。
cMUT芯片20的半导体基板40设置于背衬层22的上表面。在cMUT芯片20的半导体基板40上,上部电极46、下部电极48等振动要件28层叠地配置。
并且,左右的柔性基板41及上下的柔性基板42固定于背衬层22的上表面、侧表面周缘。在上下的柔性基板42上,信号图案38-a~信号图案38-m和配线85-a~85-m在各上部电极46组的上下交互配设。在左右的柔性基板41上,信号图案41-1~信号图案41-4和配线86-11~86-41、信号图案39-1~信号图案39-4和配线86-12~86-42在各下部电极48的左右成对配设。
cMUT芯片20的半导体基板40的上部电极46-a~上部电极46-m在长度方向上排列配置。上部电极46-a~上部电极46-m分别与3列的多个振动要件28连接。上下的柔性基板42的信号图案38-a~信号图案38-m在长度方向X上并列配置。上部电极46-a~上部电极46-m分别通过引线接合方式的引线86与柔性基板42上的信号图案38-a~信号图案38-m连接。并且,信号图案38-a~信号图案38-m分别与配线85-a~配线85-m连接。
具体地说,上部电极46-a和信号图案38-a通过引线86连接,信号图案38-a从上侧的配线85-a引出。并且,上部电极46-b和信号图案38-b连接,信号图案38-b从下侧的配线85-b引出。也就是,上部电极46-N(N:a、c、e……)和信号图案38-N连接,信号图案38-N为上侧的配线85-N(N:a、c、e……)引出。并且,上部电极46-L(L: b、d、f……)和信号图案38-L连接,信号图案38-L从下侧的配线85-L(L:b、d、f……)引出。
由于像这样信号图案38-a~信号图案38-m和配线85-a~配线85-m上下互相不同地引出,因此,例如信号图案38-a和信号图案38-c、配线85-a和配线85-c间的距离能够扩大。由此,能够降低邻接的各信号图案38、配线85间产生的交调失真。
cMUT芯片20的半导体基板40上的下部电极48-1~下部电极48-4在宽度方向Y上并列地配置。下部电极48-1~下部电极48-4分别通过引线接合方式的引线86与信号图案41-1~信号图案41-4和信号图案39-1~信号图案39-4连接。信号图案41-1~信号图案41-4分别与配线86-11~配线86-41连接。并且,信号图案39-1~信号图案39-4分别与配线86-12~配线86-42连接。
具体地说,信号图案41-1~信号图案41-4配置于下部电极48-1~下部电极48-4的左侧,信号图案39-1~信号图案39-4配置于下部电极48-1~下部电极48-4的右侧。并且,下部电极48-1通过来自左右两方向的引线86与信号图案41-1和信号图案39-1连接。下部电极48-2通过来自左右两方向的引线86与信号图案41-2和信号图案39-2连接。像这样,下部电极48-x(x:自然数)通过来自左右两方向的引线86与信号图案41-x和信号图案39-x连接。
在此,由于信号图案41-x和信号图案39-x对下部电极48-x施加的电压相同,因此信号图案41-x和信号图案39-x为等电位。由于各下部电极48-x从两侧与等电位的信号图案41-x和信号图案39-x连接,因此能够抑制下部电极48产生的寄生阻抗的影响。
图5为超声波探头2的剖面图。图5(a)为在长度方向X上的剖面图。图5(b)为在宽度方向Y上的剖面图。图5(a)为图5(b)的C-C线剖面图。图5(b)为图5(a)的B-B线剖面图。
超声波探头2通过电缆82与超声波诊断装置1连接。在cMUT芯片20的超声波发射侧设置有音响透镜26。音响透镜26的材质例如采用硅酮橡胶。在cMUT芯片20的背面侧粘接有背衬层22。沿着背衬层22的上表面周缘及四个侧面设置有柔性基板41及柔性基板42。柔性基板41及柔 性基板42分别在宽度方向Y上及长度方向X上与背衬层22的上表面周缘粘接。
柔性基板41及柔性基板42分别通过连接器51及连接器52与安装基板43连接。安装基板43设置有柔性基板41及柔性基板42的各端子和电缆82的导通回路。在安装基板43上,安装有电阻或电容器等电气部件54。
来自柔性基板41的配线86-11~配线86-41和配线86-12~配线86-42通过安装基板43的连接器53与同轴电缆96的内部导体连接。来自柔性基板42的配线85-a~配线85-m通过安装基板43的连接器53与同轴电缆96的内部导体连接。
沿着音响透镜26的内侧面及外侧面形成有导电膜61。导电膜61例如为通过蒸镀形成的Cu膜。并且,可以与导电膜61一起形成绝缘膜。此外,可以夹着导电膜61形成2层绝缘膜。
沿着柔性基板41及柔性基板42的表面设置有绝缘构件62及导电构件63。绝缘构件62为具有绝缘性的构件。绝缘构件例如为硅氧化物或对二甲苯的绝缘带。导电构件63为具有导电性的构件。导电构件63例如为Cu带。
导电膜61和导电构件63通过导电构件64连接。导电构件64为与导电膜61相比不易破损的可靠性高的高刚性的导电构件。导电构件64例如为Cu带。导电构件64固定在导电构件63上,其中导电构件63设置于音响透镜26的外侧面的导电膜61及柔性基板41或柔性基板42的表面。
导电构件63与同轴电缆96的外部导体连接。同轴电缆96由电缆82包围而与超声波诊断装置1连接。
壳体25设置于超声波探头2的四个侧面。壳体25固定于音响透镜26的四个侧面。操作者把持壳体25而操作超声波探头2。在壳体25和音响透镜26的间隙中填充有密封剂65。在壳体25和电缆82的间隙中填充有密封剂60。并且,在音响透镜26和壳体25之间填充有填充材料66。
在此,利用图6、图7说明能够抑制在下部电极48中产生的寄生阻抗的影响的机构。图6中表示被上部电极46和下部电极48夹着的cMUT单元20间的电容C1a~Cmc的分布和下部电极48-1~下部电极48-4及半导体基板40中产生的电容C1~电容C4的分布。并且,在本实施方式中, 为简略说明,将上部电极设定为3个,下部电极设定为4个,但电极的数量不局限于此。
下部电极48-1~下部电极48-4相对于上部电极46-a~上部电极46-c正交配置。将夹在被下部电极48-1和上部电极46-a~上部电极46-c的cMUT单元20间的电容设为C1a、C1b、C1c。同样地,将夹在被下部电极48-x和上部电极46-a~上部电极46-c之间的cMUT单元20间的电容设为Cma、Cmb、Cmc。另外,将下部电极48-1和半导体基板40间的电容设为C1。同样地,将下部电极48-2~下部电极48-4和半导体基板40间的电容设为C2~C4。
图7中表示超声波诊断装置1和超声波探头2的连接关系和将来自半导体基板40的两端的2条配线引出的方式。超声波诊断装置1和超声波探头2通过电缆82连接。电缆82具有多个同轴电缆96。
振动要件28的上部电极46-a~上部电极46-c分别与配线85-a~配线85c连接。配线85-a~配线85-c通过同轴电缆96-a~同轴电缆96-c的内部导体与超声波诊断装置1内的配线91-a~配线91-c连接。配线91-a~配线91-c通过发送接收分离电路98-a~发送接收分离电路98-c而分别与收信机构8内的接收放大器100-a~接收放大器100-c和发信机构4-a~发信机构4-c连接。
并且,配线91-a~配线91-c与下拉电阻110-a~下拉电阻110-c连接,与地面108连接。该下拉电阻110-a~下拉电阻110-c为用于将上部电极46-a~上部电极46-c的DC电位稳定于地电位的电阻元件。
并且,从下部电极48-1的两端引出的配线86-11和配线86-12与端子860接合。从端子860输出的一侧通过旁路电容112与地面108连接。旁路电容112为在AC电流从上部电极46-a~上部电极46-c向下部电极48-1流动时,用于避开来自下部电极48-1的电流的信号电流的旁路用电容元件。
从端子860输出的另一侧从配线86引出,通过同轴电缆96-1的内部导体与超声波诊断装置1内的配线92连接。在配线92和配线93之间配置有偏置机构6。该偏置机构6使上部电极46-a~上部电极46-c和下部电极48-a之间产生电位差。并且,发信机构4对上部电极46-a~ 上部电极46-c施加作为驱动信号的交流高频电压。具体地说,上部电极46-a~上部电极46-c为:DC=地电位(基准电位)、AC=Vpp,下部电极48-a为:DC=Vdc、AC=0。
半导体基板40与配线87连接。配线87通过同轴电缆96的外部导体与超声波诊断装置1内的配线93连接。配线93通过超声波诊断装置1的底座与地面108连接。
当发射超声波时,通过上部电极46-a~上部电极46-c及下部电极48-a对振动要件28施加直流的偏置电压(Va),通过偏置电压(Va)产生电场。由于产生的电场,膜体44紧张而变为规定的机电耦合系数(Sa)。由发信机构4对上部电极46-a~上部电极46-c供给驱动信号,基于机电耦合系数(Sa)由膜体44发送超声波。
并且,若通过上部电极46-a~上部电极46-c及下部电极48-a对振动要件28施加直流的偏置电压(Vb),则通过偏置电压(Vb)产生电场。由于产生的电场,膜体44紧张而变为规定的机电耦合系数(Sb)。由发信机构4对上部电极46-a~上部电极46-c供给驱动信号,基于机电耦合系数(Sb)由膜体44发送超声波。
在发送接收超声波时,由于下部电极48-1为有限的大小,因此包含导线电感和损失电阻的寄生阻抗分布为电容C1a~C1c。假设,在下部电极48-1的引出为1个(仅C1a侧)的情况下,即下部电极48-1仅与配线86-12连接的情况下,下部电极48-1的端子48-1-a~端子48-1-c中的电压为下式所示。并且,该端子48-1-a~端子48-1-c与上部电极46-a~上部电极46-c对应。
{数1}va=C1a·i1
{数2}vb=C1b·i2+(R+L)·i2
{数3}vc=C1c·i3+2(R+L)·i3
例如,通过发信脉冲装置4-c发送超声波后,超声波发信信号的电流路为:发信脉冲装置4-c、发送接收分离电路98-c、配线91-c、配线85-c、上部电极46-c、端子48-1-c、寄生阻抗202、端子48-1-b、寄生阻抗200、端子48-1-a、C1//配线86-12(//为并联)、配线92、地面108。这时由于电流通过寄生阻抗202和寄生阻抗200,因此下部电 极48-1的端子48-1-a~48-1-c中产生电压变动。
在此,在下部电极48-1的引出如图4、图7所示为2个(C1a侧、C1c侧)的情况下,即在端子48-1-a和端子48-1-c与配线86-12和配线86-11连接的情况下,在通过发信脉冲装置4-c发送超声波时,由于不分流到寄生阻抗200和寄生阻抗202因此不产生电压变动。
并且,在通过发送脉冲装置4-b发送超声波时,在下部电极48-1的端子48-1-a~48-1-c中的电压如下式所示:
{数4}va=C1a·i1
{数5}vb=C1b·i2+1/2(R+L)·i2
{数6}vc=C1c·i3
由于分流到寄生阻抗200//寄生阻抗202,寄生阻抗的影响与下部电极48-1的引出为1个(仅C1a侧)的情况相比降低到1/2。在此,C1的电容值与Cma比较,若C1的阻抗与寄生阻抗相比足够小,则电流分流到寄生阻抗的程度能够显著减小。如此,能够抑制在下部电极48产生的寄生阻抗的影响。
(第二实施方式)
利用图8来说明第二实施方式。与第一实施方式的不同点为下部电极48-1的引出为3个。如图8所示,在下部电极48-1的引出为3个(C1a侧、C1b侧、C1c侧)的情况下,即端子48-1-a、端子48-1-b和端子48-1-c上分别连接有配线86-12、配线86-13和配线86-11。在通过发送脉冲装置4-b发送超声波时,下部电极48-1的端子48-1-a~端子48-1-c中的电压如下式所示:
{数7}va=C1a·i1
{数8}vb=C1b·i2
{数9}vc=C1c·i3
由于电流不流到寄生阻抗200和寄生阻抗202,因此寄生阻抗不产生影响。像这样,能够抑制在下部电极48中产生的寄生阻抗的影响。
并且,下部电极48-1的引出也可以为4个以上,例如可以设置于上部电极的数量相等的数量的端子48-1-m及配线86-1-m。由于下部电极48-1的引出为多个,因此能够抑制在下部电极48中产生的寄生阻抗 的影响。
(第三实施方式)
说明第三实施方式。与第一实施方式和第二实施方式的不同点在于,变更下部电极48的与长度方向正交的截面积或长度方向的长度。
例如,通过使下部电极48的厚度为100nm至200nm,下部电极48的与长度方向正交的截面积变为2倍。因此,通过使下部电极48的与长度方向正交的截面积变为2倍,从而能够使寄生阻抗200和寄生阻抗202减半。由此,能够使寄生阻抗200和寄生阻抗202的影响减半。
利用图9说明下部电极48的厚度的限制。图9(a)所示的下部电极48为基准厚度,图9(b)所示的下部电极48为比图9(a)厚2倍以上的状态。在图9(b)中,下部电极48的厚度比膜体45的厚度和框体47的厚度的和更大。由此,上部电极46的跨越台阶变大,上部电极46的角部等电荷容易集中的部位接近下部电极48。成为由比框体47具有的绝缘耐压小的电场强度产生绝缘破坏的原因。因此,下部电极48的厚度设定为,使上部电极46的角部等电荷容易集中的部位不接近下部电极48。例如,下部电极48的厚度设定为使上部电极46和下部电极48之间的长度500为250nm以上。
另外,例如,通过使下部电极48的长度(长度方向(X轴方向))设定为50mm至25mm,从而下部电极48的长度变为1/2倍。因此,通过使下部电极48的长度变为1/2倍,从而能够使寄生阻抗200和寄生阻抗202减半。本实施方式的下部电极48的两端从配置多个振动要件28的位置稍突出,以使下部电极48的长度方向的长度变短。该突出部分具有用于进行配线86的引线接合的足够的宽度,但设定为尽量使下部电极48的长度方向的长度短。例如,突出部分的宽度为左右共200μm~1.5mm左右。
如上所述,下部电极48的寄生电阻与下部电极48的截面积成反比,与下部电极48的长度成反比。利用该特性能够降低下部电极48的寄生阻抗。
(第四实施方式)
利用图10说明第四实施方式。与第一实施方式~第三实施方式的不同点在于,从上下方向引出上部电极46。
cMUT芯片20的半导体基板40上的上部电极46-a~上部电极46-m在长度方向X上并列配置。上部电极46-a~上部电极46-m分别通过引线接合方式的引线86与信号图案38-a1~信号图案38-m1和信号图案38-a2~信号图案38-m2连接。信号图案38-a1~信号图案38-m1分别与配线85-a1~配线85-m1连接。并且,信号图案38-a2~信号图案38-m2分别与配线85-a2~配线85-m2连接。
具体地说,信号图案38-a1~信号图案38-m1配置于上部电极46-a~上部电极46-m的上侧,信号图案38-a2~信号图案38-m2配置于上部电极46-a~上部电极46-m的下侧。并且,上部电极46-a从上下两方向与信号图案38-a1和信号图案38-a2连接。上部电极46-b从上下两方向与信号图案38-b1和信号图案38-b2连接。上部电极46-m从上下两方向与信号图案38-m1和信号图案38-m2连接。
如上所述,通过将上部电极46从上下方向引出,能够抑制在上部电极46中产生的寄生阻抗的影响。并且,由于对于寄生阻抗降低的机构与第一实施方式中说明的下部电极48为同样情况,因此在此省略说明。