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JP4891182B2 - Ultrasonic transducer, ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic microscope - Google Patents

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JP4891182B2 JP2007221691A JP2007221691A JP4891182B2 JP 4891182 B2 JP4891182 B2 JP 4891182B2 JP 2007221691 A JP2007221691 A JP 2007221691A JP 2007221691 A JP2007221691 A JP 2007221691A JP 4891182 B2 JP4891182 B2 JP 4891182B2
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Description

本発明は、エレクトレットを具備して構成される静電容量型の超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微鏡に関する。   The present invention relates to a capacitive ultrasonic transducer including an electret, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope.

被検体に超音波を照射し、そのエコー信号から被検体の状態を診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる超音波診断装置の1つに医療分野で用いられる超音波内視鏡がある。   2. Description of the Related Art An ultrasonic diagnostic method that irradiates a subject with ultrasonic waves and diagnoses the state of the subject from the echo signals has become widespread. One of ultrasonic diagnostic apparatuses used for this ultrasonic diagnostic method is an ultrasonic endoscope used in the medical field.

超音波診断装置は、医療分野に限らず工業分野においても、被検体(試料)に生じた傷、割れ、空洞等の欠陥の存在の有無を診断するために使用されており、これらは非破壊検査装置や非破壊探傷装置として知られている。   Ultrasound diagnostic devices are used not only in the medical field but also in the industrial field to diagnose the presence or absence of defects such as scratches, cracks, cavities, etc. in the specimen (sample). It is known as an inspection device or a nondestructive flaw detection device.

また、超音波を被検体(試料)に照射して被検体の音響的特性を評価することにより、被検体の弾性的性質を定量化したり、薄膜の構造を評価する、いわゆるV(z)曲線による解析法が知られている。このようなV(z)曲線から被検体の性質を解析する装置として超音波顕微鏡が知られている。   In addition, a so-called V (z) curve that quantifies the elastic properties of a subject or evaluates the structure of a thin film by irradiating the subject (sample) with ultrasonic waves and evaluating the acoustic characteristics of the subject. The analysis method by is known. An ultrasonic microscope is known as an apparatus for analyzing the properties of a subject from such a V (z) curve.

これらの超音波診断装置や超音波顕微鏡には、電気信号を超音波に変換して送信し、また超音波を受信して電気信号に変換するための超音波トランスデューサが配設されている。   These ultrasonic diagnostic apparatuses and ultrasonic microscopes are provided with ultrasonic transducers for converting electric signals into ultrasonic waves and transmitting them, and receiving ultrasonic waves and converting them into electric signals.

従来、超音波トランスデューサとして、セラミック圧電材PZT(ジルコン酸チタン酸鉛)等の圧電素子が主に使用されてきたが、近年、特表2005−510264号公報に開示されているようなマイクロマシニング技術を用いて製造される静電容量型超音波トランスデューサ(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer;以下、c−MUTと称する)が注目を集めている。   Conventionally, a piezoelectric element such as a ceramic piezoelectric material PZT (lead zirconate titanate) has been mainly used as an ultrasonic transducer. However, in recent years, a micromachining technique disclosed in Japanese translations of PCT publication No. 2005-510264 is known. Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (hereinafter referred to as c-MUT) is attracting attention.

c−MUTは、空隙部を挟んで対向する一対の平板状の電極(平行平板電極)を具備して構成されるものであり、一方の電極を含む膜(メンブレン)の振動により超音波の送受信を行うものである。c−MUTは、超音波の受信時においては、一対の電極間の静電容量の変化を基に超音波信号を電気信号に変換するため、特に受信時においては一対の電極間にDCバイアス電圧を印加しなければならない。   The c-MUT includes a pair of flat-plate electrodes (parallel plate electrodes) that are opposed to each other with a gap interposed therebetween, and transmits and receives ultrasonic waves by vibration of a film (membrane) including one electrode. Is to do. The c-MUT converts an ultrasonic signal into an electric signal based on a change in capacitance between a pair of electrodes when receiving an ultrasonic wave. Must be applied.

この問題を解決するために、一対の電極間にエレクトレット(エレクトレット絶縁膜)を設けることでDCバイアス電圧の印加を不要としたc−MUT(静電型超音波トランスデューサ)が、特開平2−52599号公報に開示されている。
特表2005−510264号公報 特開平2−52599号公報
In order to solve this problem, a c-MUT (electrostatic ultrasonic transducer) that eliminates the need to apply a DC bias voltage by providing an electret (electret insulating film) between a pair of electrodes is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-52599. It is disclosed in the gazette.
JP 2005-510264 Gazette JP-A-2-52599

ところで、c−MUTの送信する超音波の音圧及び受信する超音波に対する感度は、一対の電極間の静電容量に依存するものである。例えば図14に、一対の電極501、502からなる平行平板電極間にエレクトレット503を配設した場合の等価回路図を示す。この場合、一対の電極501、502間における合成静電容量C1は、メンブレン506の静電容量Cmemとキャビティ504(空隙部)の静電容量Ccavとエレクトレット503の静電容量Celeとを合成した値となる。   By the way, the sound pressure of the ultrasonic wave transmitted by the c-MUT and the sensitivity to the received ultrasonic wave depend on the capacitance between the pair of electrodes. For example, FIG. 14 shows an equivalent circuit diagram in the case where the electret 503 is disposed between the parallel plate electrodes including the pair of electrodes 501 and 502. In this case, the combined capacitance C1 between the pair of electrodes 501 and 502 is a value obtained by combining the capacitance Cmem of the membrane 506, the capacitance Ccav of the cavity 504 (gap), and the capacitance Cele of the electret 503. It becomes.

ここで、キャビティ504の厚さは、メンブレン506の必要振幅により決定されるため、エレクトレット503の有無に関係なく一定である。このため、エレクトレット503を電極501、502間に配設しない場合の、電極501、502間における合成静電容量C0は、前記合成静電容量C1よりも大きい。   Here, since the thickness of the cavity 504 is determined by the required amplitude of the membrane 506, it is constant regardless of the presence or absence of the electret 503. For this reason, when the electret 503 is not disposed between the electrodes 501 and 502, the combined capacitance C0 between the electrodes 501 and 502 is larger than the combined capacitance C1.

言い換えれば、従来のc−MUTでは、エレクトレットを配設することによってキャビティ504の厚さが増加するため、エレクトレットを配設しない場合よりも、電極間における静電容量が低下してしまうのである。   In other words, in the conventional c-MUT, since the thickness of the cavity 504 is increased by arranging the electret, the capacitance between the electrodes is lower than when the electret is not arranged.

例えば、c−MUTが超音波内視鏡用等の体腔内で使用される場合、c−MUTは絶縁性を確保するため低電圧で駆動されることが好ましい。この低電圧駆動時において十分な超音波の音圧及び感度を実現可能な電極間の静電容量を得るためには、c−MUTの電極間距離を1μm以下、好ましくは0.5μm以下にすることが望ましい。   For example, when the c-MUT is used in a body cavity such as for an ultrasonic endoscope, the c-MUT is preferably driven at a low voltage to ensure insulation. In order to obtain a capacitance between electrodes capable of realizing sufficient ultrasonic sound pressure and sensitivity during low voltage driving, the distance between the electrodes of the c-MUT is set to 1 μm or less, preferably 0.5 μm or less. It is desirable.

一方で、例えばシリコン酸化膜により構成されたエレクトレットは、長期間にわたって安定して電荷を保持するために少なくとも1μmの厚さが必要である。   On the other hand, an electret made of, for example, a silicon oxide film needs to have a thickness of at least 1 μm in order to stably hold charges over a long period of time.

すなわち、エレクトレットを電極間に配設した場合、必要な電極間距離を確保することができず、従来のc−MUTを用いて、十分な音圧及び感度により超音波を送受信することは不可能であった。   That is, when the electret is disposed between the electrodes, the necessary distance between the electrodes cannot be ensured, and it is impossible to transmit and receive ultrasonic waves with sufficient sound pressure and sensitivity using a conventional c-MUT. Met.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、エレクトレットを具備することによりDCバイアス電圧の印加を不要としながら、十分な音圧及び感度により超音波を送受信することが可能な静電容量型の超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微鏡を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems. An electrostatic device capable of transmitting and receiving ultrasonic waves with sufficient sound pressure and sensitivity while eliminating the need for applying a DC bias voltage by providing an electret. It is an object of the present invention to provide a capacitive ultrasonic transducer, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope.

本発明に係る超音波トランスデューサは、第1の電極と、該第1の電極上に空隙部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜に支持された第2の電極とを具備して構成される振動子セルと、電荷を保持し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に所定の電位差を与えるエレクトレット層と、を具備した超音波トランスデューサであって、前記エレクトレット層は、前記振動膜が振動することにより発生する超音波の送信方向から見た場合に、前記振動子セルとは離間した領域に配設され、前記エレクトレット層は、前記第1の電極に電気的に接続された第1の導電層と、該第1の導電層の上方に配設され前記第2の電極に電気的に接続された第2の導電層との間に介装され、前記第1の導電層と前記第2の導電層との間隔は、前記振動子セルにおける前記空隙部により隔てられた前記第1の電極と前記第2の電極との間隔よりも広いことを特徴とする。 An ultrasonic transducer according to the present invention includes a first electrode, a vibrating membrane disposed on the first electrode with a gap, and a second electrode supported by the vibrating membrane. And an electret layer that holds a charge and applies a predetermined potential difference between the first electrode and the second electrode, wherein the electret includes: The layer is disposed in a region separated from the transducer cell when viewed from a transmission direction of ultrasonic waves generated when the vibrating membrane vibrates , and the electret layer is electrically connected to the first electrode. Interposed between the first conductive layer electrically connected and the second conductive layer disposed above the first conductive layer and electrically connected to the second electrode, The interval between the first conductive layer and the second conductive layer is determined by the transducer cell. And wherein the wider than the distance between definitive the gap the separated by portions the first electrode and the second electrode.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を図面1から図8を参照して説明する。なお、以下の説明に用いた各図においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせてある。図1は超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。図2は超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。図3は振動子アレイの斜視図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In each drawing used for the following description, the scale is different for each member in order to make each member a size that can be recognized on the drawing. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic endoscope. FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the distal end portion of the ultrasonic endoscope. FIG. 3 is a perspective view of the transducer array.

本実施形態では、超音波診断装置としての超音波内視鏡に本発明を適用した例を説明する。図1に示すように本実施形態の超音波内視鏡1は、体腔内に導入される細長の挿入部2と、この挿入部2の基端に位置する操作部3と、この操作部3の側部から延出するユニバーサルコード4とで主に構成されている。   In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an ultrasonic endoscope as an ultrasonic diagnostic apparatus will be described. As shown in FIG. 1, an ultrasonic endoscope 1 according to this embodiment includes an elongated insertion portion 2 introduced into a body cavity, an operation portion 3 located at the proximal end of the insertion portion 2, and the operation portion 3. And a universal cord 4 extending from the side of the main body.

前記ユニバーサルコード4の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ4aが設けられている。この内視鏡コネクタ4aからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ5aを介して着脱自在に接続される電気ケーブル5及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ6aを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル6が延出されている。   An endoscope connector 4 a connected to a light source device (not shown) is provided at the base end portion of the universal cord 4. The endoscope connector 4a is detachably connected to a camera control unit (not shown) via an electrical connector 5a and detachably connected to an ultrasound observation device (not shown) via an ultrasonic connector 6a. An ultrasonic cable 6 is extended.

前記挿入部2は、先端側から順に硬質な樹脂部材で形成した先端硬性部20、この先端硬性部20の後端に位置する湾曲自在な湾曲部8、この湾曲部8の後端に位置して前記操作部3の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部9を連設して構成されている。また、前記先端硬性部20の先端側には詳しくは後述する超音波を送受するための超音波送受部30が設けられている。   The insertion portion 2 is located at the distal end rigid portion 20 formed of a hard resin member in order from the distal end side, the bendable bending portion 8 located at the rear end of the distal end rigid portion 20, and the rear end of the bending portion 8. Thus, a flexible tube portion 9 having a small diameter, a long length and flexibility reaching the distal end portion of the operation portion 3 is continuously provided. An ultrasonic transmission / reception unit 30 for transmitting / receiving ultrasonic waves, which will be described in detail later, is provided on the distal end side of the distal rigid portion 20.

前記操作部3には前記湾曲部8を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ11、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン12、吸引操作を行うための吸引ボタン13、体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口14等が設けられている。   The operation unit 3 includes an angle knob 11 for controlling the bending of the bending portion 8 in a desired direction, an air / water supply button 12 for performing air supply and water supply operations, a suction button 13 for performing suction operations, and a body cavity A treatment instrument insertion port 14 or the like serving as an entrance of a treatment instrument to be introduced into the instrument is provided.

図2に示すように、先端硬性部20には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ(図示せず)、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する対物レンズ21、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口22及び送気及び送水を行うための送気送水口(図示せず)が設けられている。   As shown in FIG. 2, the distal end rigid portion 20 includes an illumination lens (not shown) that constitutes an illumination optical unit that irradiates the observation site with illumination light, and an objective that constitutes the observation optical unit that captures an optical image of the observation site. The lens 21 is provided with a suction and forceps port 22 which is an opening through which the excised site is sucked and the treatment tool protrudes, and an air supply / water supply port (not shown) for air supply and water supply.

先端硬性部20の先端に設けられた超音波送受部30は、図3に示ように、振動子アレイ31と駆動回路34とFPC35とを具備して構成されている。FPC35は、可撓性を有し両面に実装面が形成された配線基板(フレキシブル配線基板)であり、超音波送受部30においては、該FPC35は先端硬性部20の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されて配設されている。   As shown in FIG. 3, the ultrasonic transmission / reception unit 30 provided at the distal end of the distal end rigid portion 20 includes a transducer array 31, a drive circuit 34, and an FPC 35. The FPC 35 is a wiring board (flexible wiring board) having flexibility and mounting surfaces formed on both sides. In the ultrasonic transmitting / receiving unit 30, the FPC 35 is an axis substantially parallel to the insertion axis of the distal end hard part 20. Is arranged in a substantially cylindrical shape with the central axis as the center axis.

円筒状のFPC35の外周面上には、超音波振動子アレイである振動子アレイ31が設けられている。振動子アレイ31は、FPC35の外周面上に周方向に配列された本実施形態の超音波トランスデューサである複数の振動子ユニット32を具備して構成されている。振動子ユニット32は、FPC35の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のFPC35の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。振動子アレイ31は、例えば数十から数百個の振動子ユニット32により構成されており、本実施形態の振動子アレイ31は、128個の振動子ユニット32を具備している。そして、各振動子ユニット32は、16個の振動子エレメント33を具備している。   On the outer peripheral surface of the cylindrical FPC 35, a transducer array 31 that is an ultrasonic transducer array is provided. The transducer array 31 includes a plurality of transducer units 32 that are the ultrasonic transducers of the present embodiment arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the FPC 35. The transducer units 32 have a substantially rectangular shape when viewed from the normal direction of the outer peripheral surface of the FPC 35, and are arranged on the outer peripheral surface of the cylindrical FPC 35 at equal intervals with the short direction as the circumferential direction. For example, the transducer array 31 includes tens to hundreds of transducer units 32, and the transducer array 31 of the present embodiment includes 128 transducer units 32. Each transducer unit 32 includes 16 transducer elements 33.

詳しくは後述するが、本実施形態の振動子ユニット32は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板上にマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサであり、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術範囲に属するものである。このようなマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサは、一般にc−MUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)と称される。   As will be described in detail later, the vibrator unit 32 of the present embodiment is a capacitive ultrasonic transducer formed by a micromachining technique on a silicon substrate made of a low-resistance silicon semiconductor. Belongs to the technical scope of Mechanical Systems). A capacitive ultrasonic transducer formed by such micromachining technology is generally referred to as a c-MUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer).

本実施形態の振動子アレイ31においては、一つの振動子ユニット32内に複数配設された振動子エレメント33が、超音波を送受信するための最小の駆動単位を構成している。振動子エレメント33は、それぞれFPC35の実装面の法線方向、すなわち円筒状であるFPC35の径方向外向きに超音波を送信する。   In the transducer array 31 of the present embodiment, a plurality of transducer elements 33 arranged in one transducer unit 32 constitute the minimum drive unit for transmitting and receiving ultrasonic waves. Each transducer element 33 transmits an ultrasonic wave in the normal direction of the mounting surface of the FPC 35, that is, in the radial direction outward of the cylindrical FPC 35.

一方、円筒状のFPC35の内周面上、すなわち振動子アレイ31が実装された実装面とは反対側の実装面上には、複数の駆動回路34が実装されている。駆動回路34は、振動子エレメント33を駆動するためのパルサーや選択回路等の電気回路を有し、個々の振動子エレメント33と電気的に接続されている。   On the other hand, a plurality of drive circuits 34 are mounted on the inner peripheral surface of the cylindrical FPC 35, that is, on the mounting surface opposite to the mounting surface on which the transducer array 31 is mounted. The drive circuit 34 has an electrical circuit such as a pulser or a selection circuit for driving the transducer element 33, and is electrically connected to each transducer element 33.

また、駆動回路34は、円筒状のFPC35の外周面上に形成された、複数の信号電極36及び接地電極37に電気的に接続されている。信号電極36及び接地電極37は、超音波ケーブル6内を挿通されて一端が超音波コネクタ6aに電気的に接続された、同軸ケーブルの他端が電気的に接続される。よって、駆動回路34は、超音波観測装置に電気的に接続されるのである。   The drive circuit 34 is electrically connected to a plurality of signal electrodes 36 and a ground electrode 37 formed on the outer peripheral surface of the cylindrical FPC 35. The signal electrode 36 and the ground electrode 37 are inserted through the ultrasonic cable 6 and one end thereof is electrically connected to the ultrasonic connector 6a, and the other end of the coaxial cable is electrically connected. Therefore, the drive circuit 34 is electrically connected to the ultrasonic observation apparatus.

上述の構成を有する超音波送受部30は、円筒形状のFPC35の外周面上に配設された2次元の振動子アレイ31によって、超音波を先端硬性部20の挿入軸と略直交する平面上を基本として放射状に送受信する、セクタ走査が可能な電子式ラジアル走査を行えるものである。   The ultrasonic transmission / reception unit 30 having the above-described configuration is configured such that the ultrasonic wave is transmitted on a plane substantially orthogonal to the insertion axis of the distal end rigid portion 20 by a two-dimensional transducer array 31 disposed on the outer peripheral surface of the cylindrical FPC 35. Electronic radial scanning capable of sector scanning can be performed, which is transmitted and received in a radial manner.

次に本実施形態の静電容量型の超音波トランスデューサである振動子ユニット32の詳細な構成を、図4から図7を参照して以下に説明する。図4は、振動子ユニット32を、超音波の送受信側から見た上面図である。すなわち図4において、紙面に直交しかつ紙面から離れる方向へ超音波が送信される。図5は、図4のV-V断面図である。図6は、振動子ユニット32の等価回路図である。図7は、振動子ユニットのエレクトレット層が形成された領域の部分断面図である。   Next, a detailed configuration of the transducer unit 32 which is a capacitive ultrasonic transducer according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 4 is a top view of the transducer unit 32 as viewed from the ultrasonic transmission / reception side. That is, in FIG. 4, ultrasonic waves are transmitted in a direction perpendicular to the paper surface and away from the paper surface. 5 is a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the vibrator unit 32. FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a region where an electret layer of the vibrator unit is formed.

図4に示すように、本実施形態の振動子ユニット32は、複数の振動子エレメント33が配列されて構成されている。図4において、破線で囲まれた細長の領域が、一個の振動子エレメント33を示している。   As shown in FIG. 4, the transducer unit 32 of the present embodiment is configured by arranging a plurality of transducer elements 33. In FIG. 4, an elongated region surrounded by a broken line shows one transducer element 33.

振動子エレメント33は、複数の振動子セル100を具備して構成されている。また、振動子エレメント33は、該振動子エレメント33を構成する前記複数の振動子セル100のそれぞれに電気的に接続されたエレクトレット層130と、信号電極パッド38と、接地電極パッド39とを具備して構成されている。   The transducer element 33 includes a plurality of transducer cells 100. The transducer element 33 includes an electret layer 130 electrically connected to each of the plurality of transducer cells 100 constituting the transducer element 33, a signal electrode pad 38, and a ground electrode pad 39. Configured.

本実施形態においては、振動子エレメント33は、細長の領域の長手方向に直線状に配列された8個の振動子セル100と、細長の領域の一端に配設され8個の振動子セル100全てと並列に電気的に接続された1個のエレクトレット層130とを具備している。   In this embodiment, the transducer element 33 includes eight transducer cells 100 arranged linearly in the longitudinal direction of the elongated region, and eight transducer cells 100 disposed at one end of the elongated region. And an electret layer 130 electrically connected in parallel with all of them.

同一の振動子エレメント33においては、振動子セル100は、全て並列に電気的に接続されており、超音波観測装置からの駆動信号が信号電極パッド38を介して入力されることにより、同時に同位相の超音波を送信する。   In the same transducer element 33, all the transducer cells 100 are electrically connected in parallel, and the drive signal from the ultrasonic observation apparatus is input via the signal electrode pad 38, so Transmit phase ultrasound.

図5に示すように、本実施形態の振動子エレメント33は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板101上に半導体プロセス等を用いたマイクロマシニング技術により形成された積層構造を有する静電容量型の超音波トランスデューサである。   As shown in FIG. 5, the vibrator element 33 of the present embodiment has a capacitance type having a laminated structure formed on a silicon substrate 101 made of a low-resistance silicon semiconductor by a micromachining technique using a semiconductor process or the like. Is an ultrasonic transducer.

なお、以下の積層構造の説明において、各層の上下関係については、シリコン基板101の表面から法線方向に遠ざかる方向を上方向とする。例えば、図5の断面図において、上部電極120は下部電極110の上方に配設されている、と称するものとする。また、各層の厚さとは、シリコン基板101表面の法線方向の各層の寸法を指す。また、以下の説明においては、便宜的に、シリコン基板101の表面のうち、振動子セル100が形成される面をセル形成面、振動子セル100が形成される面とは反対側の面を裏面と称する。   In the following description of the laminated structure, regarding the vertical relationship of each layer, the direction away from the surface of the silicon substrate 101 in the normal direction is the upward direction. For example, in the cross-sectional view of FIG. 5, it is assumed that the upper electrode 120 is disposed above the lower electrode 110. The thickness of each layer refers to the dimension of each layer in the normal direction on the surface of the silicon substrate 101. In the following description, for convenience, the surface of the silicon substrate 101 on which the transducer cell 100 is formed is defined as the cell formation surface, and the surface opposite to the surface on which the transducer cell 100 is formed. This is called the back side.

シリコン基板101は、導電性を有する低抵抗シリコンからなり、両表面にはそれぞれ電気絶縁性を有するシリコン酸化膜である第1絶縁膜102及び裏面絶縁膜109が形成されている。第1絶縁膜102及び裏面絶縁膜109は、シリコン基板101を熱酸化することにより形成される高温酸化膜である。なお、第1絶縁膜102及び裏面絶縁膜109はシリコン窒化膜であってもよい。   The silicon substrate 101 is made of conductive low-resistance silicon, and a first insulating film 102 and a back insulating film 109, which are silicon oxide films having electrical insulating properties, are formed on both surfaces. The first insulating film 102 and the back surface insulating film 109 are high-temperature oxide films formed by thermally oxidizing the silicon substrate 101. The first insulating film 102 and the back surface insulating film 109 may be silicon nitride films.

まず、振動子セル100の構造について、以下に詳細に説明する。
振動子セル100は、略円柱状の空隙部であるキャビティ107を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極110(第1の電極)及び上部電極120(第2の電極)を有して構成される。そして、該振動子セル100を具備して構成される振動子エレメント33は、振動子セル100の上部電極120を含む弾性を有する膜状の構造体であるメンブレン100a(振動膜)の振動により、超音波を送受信するものである。
First, the structure of the transducer cell 100 will be described in detail below.
The transducer cell 100 has a pair of parallel plate electrodes facing each other through a cavity 107 that is a substantially cylindrical gap, and includes a lower electrode 110 (first electrode) and an upper electrode 120 (second electrode). Configured. The transducer element 33 including the transducer cell 100 is caused by the vibration of the membrane 100a (vibration membrane) that is an elastic film-like structure including the upper electrode 120 of the transducer cell 100. It transmits and receives ultrasonic waves.

第1絶縁膜102上には、上方から見て略円形状に、導電層である下部電極110が形成されている。下部電極110は、Mo(モリブデン)をスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。下部電極110は、上方から見て隣接する振動子セル100の下部電極110同士が、下部電極配線111により電気的に接続されている。   On the first insulating film 102, a lower electrode 110, which is a conductive layer, is formed in a substantially circular shape when viewed from above. The lower electrode 110 is formed by depositing and patterning Mo (molybdenum) by sputtering. In the lower electrode 110, the lower electrodes 110 of the adjacent transducer cells 100 as viewed from above are electrically connected by a lower electrode wiring 111.

なお、積層構造の下層部であり、かつシリコン酸化膜上に形成される下部電極110を構成する材料は、Mo以外に、例えばW(タングステン)、Ti(チタン)、Ta(タンタル)等の高融点金属やその合金であることが望ましいが、その後の製造工程で高温の熱処理を避けることができるのであれば、材料はこれに限定されるものではなく、Al(アルミニウム)、Cu(銅)等であってもよい。また、下部電極110は2種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。   The material constituting the lower electrode 110 which is the lower layer portion of the laminated structure and is formed on the silicon oxide film is a high material such as W (tungsten), Ti (titanium), Ta (tantalum) other than Mo. Although it is desirable to use a melting point metal or an alloy thereof, the material is not limited to this as long as high-temperature heat treatment can be avoided in the subsequent manufacturing process, and Al (aluminum), Cu (copper), etc. It may be. The lower electrode 110 may have a multilayer structure in which two or more kinds of conductive materials are stacked.

上方から見て細長の形状を有する振動子エレメント33の、エレクトレット層130が配設された端部とは反対側の端部には、シリコン基板101を貫通して形成されたウェハ貫通電極112が、振動子エレメント33単位に設けられている。ウェハ貫通電極112は、シリコン基板101とは電気的に絶縁されており、かつ下部電極110と裏面絶縁膜109上に形成された信号電極パッド38とに電気的に接続されている。   A through-wafer electrode 112 formed through the silicon substrate 101 is provided at the end of the transducer element 33 having an elongated shape when viewed from above, on the side opposite to the end where the electret layer 130 is disposed. The transducer element 33 is provided in units. The through-wafer electrode 112 is electrically insulated from the silicon substrate 101 and electrically connected to the lower electrode 110 and the signal electrode pad 38 formed on the back surface insulating film 109.

すなわち、同一の振動子エレメント33内の全ての下部電極110は、下部電極配線111、ウェハ貫通電極112を介して、シリコン基板101の裏面に形成された信号電極パッド38に電気的に接続されている。   That is, all the lower electrodes 110 in the same transducer element 33 are electrically connected to the signal electrode pad 38 formed on the back surface of the silicon substrate 101 via the lower electrode wiring 111 and the wafer through electrode 112. Yes.

下部電極110上には、該下部電極110を被覆するように、電気絶縁性を有する第2絶縁膜103が形成されている。第2絶縁膜103は、本実施形態ではシリコン酸化膜であり、プラズマCVD法により成膜される。なお、第2絶縁膜103は、シリコン窒化膜、窒化ハフニウム(HfN)、ハフニウム酸窒化物(HfON)等であってもよい。   A second insulating film 103 having electrical insulation is formed on the lower electrode 110 so as to cover the lower electrode 110. The second insulating film 103 is a silicon oxide film in this embodiment, and is formed by a plasma CVD method. Note that the second insulating film 103 may be a silicon nitride film, hafnium nitride (HfN), hafnium oxynitride (HfON), or the like.

第2絶縁膜103上には、キャビティ107越しに電気絶縁性を有する第3絶縁膜104が形成されている。第3絶縁膜104は、本実施形態ではシリコン酸化膜であり、プラズマCVD法により成膜される。なお、第3絶縁膜104は、シリコン窒化膜であってもよい。   On the second insulating film 103, a third insulating film 104 having electrical insulating properties is formed over the cavity 107. The third insulating film 104 is a silicon oxide film in this embodiment, and is formed by a plasma CVD method. Note that the third insulating film 104 may be a silicon nitride film.

第2絶縁膜103と、第3絶縁膜104との間には、大気圧、加圧又は減圧状態の密閉された空隙層であるキャビティ107が形成されている。ここで、減圧状態とは、大気圧よりも圧力が低い状態を指し、いわゆる真空状態も含むものである。キャビティ107は、略円柱形状を有し、上方から見て下部電極110と略同心上に設けられている。   Between the second insulating film 103 and the third insulating film 104, a cavity 107, which is a sealed void layer in an atmospheric pressure, pressurized or reduced pressure state, is formed. Here, the reduced pressure state refers to a state where the pressure is lower than the atmospheric pressure, and includes a so-called vacuum state. The cavity 107 has a substantially cylindrical shape, and is provided substantially concentrically with the lower electrode 110 when viewed from above.

キャビティ107は、本実施形態では、公知の技術である犠牲層エッチングにより形成されるものであり、犠牲層エッチング時に使用されるキャビティ107内と第3絶縁膜104の上層とを連通するための犠牲層除去孔は、図示しないプラグにより封止されている。なお、キャビティ107は、機械的もしくは化学的な微細加工後のウェハ同士を接合する方法で形成されるものであってもよい。   In this embodiment, the cavities 107 are formed by sacrificial layer etching, which is a known technique, and sacrifices for communicating the inside of the cavities 107 used during the sacrificial layer etching with the upper layer of the third insulating film 104. The layer removal hole is sealed with a plug (not shown). The cavity 107 may be formed by a method of bonding wafers after mechanical or chemical microfabrication.

第3絶縁膜104上には、上方から見て略円形状の導電層である上部電極120が形成されている。上部電極120は、上方から見て下部電極110と略同心上、すなわち下部電極110と対向する位置に設けられている。本実施形態では、上部電極120は、Alをスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。   On the third insulating film 104, an upper electrode 120, which is a substantially circular conductive layer as viewed from above, is formed. The upper electrode 120 is provided substantially concentrically with the lower electrode 110 when viewed from above, that is, at a position facing the lower electrode 110. In the present embodiment, the upper electrode 120 is formed by depositing and patterning Al by sputtering.

上部電極120は、上方から見て隣接する振動子セル100の上部電極120同士が、上部電極配線121により電気的に接続されている。なお、上部電極120を構成する材料は、Al以外に、例えばCu、W、Ti、Ta等の導電性を有するものであればよい。また、上部電極120は2種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。   The upper electrodes 120 of the adjacent transducer cells 100 as viewed from above are electrically connected to each other by the upper electrode wiring 121. In addition to Al, the material which comprises the upper electrode 120 should just have electroconductivity, such as Cu, W, Ti, Ta, for example. The upper electrode 120 may have a multilayer structure in which two or more kinds of conductive materials are stacked.

上方から見て細長の形状を有する振動子エレメント33の、エレクトレット層130が配設された端部とは反対側の端部において、上部電極配線121は、貫通電極122に電気的に接続されている。貫通電極122は、第1絶縁膜102、第2絶縁膜103及び第3絶縁膜104を貫通して上部電極120及び上部電極配線121と同一の工程により形成されたものであり、該貫通電極122は、シリコン基板101にオーミックコンタクト領域122aを介して電気的に接続されている。   The upper electrode wiring 121 is electrically connected to the through electrode 122 at the end of the transducer element 33 having an elongated shape when viewed from above, on the side opposite to the end where the electret layer 130 is disposed. Yes. The through electrode 122 is formed through the same process as the upper electrode 120 and the upper electrode wiring 121 through the first insulating film 102, the second insulating film 103, and the third insulating film 104. Are electrically connected to the silicon substrate 101 via an ohmic contact region 122a.

また、裏面絶縁膜109上には接地電極パッド39が形成されており、接地電極パッド39は、オーミックコンタクト領域123aを介してシリコン基板101に電気的に接続されている。   A ground electrode pad 39 is formed on the back surface insulating film 109, and the ground electrode pad 39 is electrically connected to the silicon substrate 101 through an ohmic contact region 123a.

すなわち、同一の振動子エレメント33内の全ての上部電極120は、上部電極配線121、貫通電極122、シリコン基板101を介して、シリコン基板101の裏面に形成された接地電極パッド39に電気的に接続されている。   That is, all the upper electrodes 120 in the same transducer element 33 are electrically connected to the ground electrode pad 39 formed on the back surface of the silicon substrate 101 via the upper electrode wiring 121, the through electrode 122, and the silicon substrate 101. It is connected.

上部電極120上には、電気絶縁性を有する保護膜105が形成されている。保護膜105は、本実施形態ではシリコン窒化膜であり、プラズマCVD法により形成される。なお、保護膜105は、シリコン窒化物以外に、シリコン酸化膜、窒化ハフニウム(HfN)、ハフニウム酸窒化物(HfON)等により構成されてもよい。特に、HfN及びHfONは、高密度の膜が得られるため保護膜として好ましい。   A protective film 105 having electrical insulation is formed on the upper electrode 120. In this embodiment, the protective film 105 is a silicon nitride film, and is formed by a plasma CVD method. In addition to the silicon nitride, the protective film 105 may be composed of a silicon oxide film, hafnium nitride (HfN), hafnium oxynitride (HfON), or the like. In particular, HfN and HfON are preferable as a protective film because a high-density film can be obtained.

また、保護膜105上には、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性及び電気絶縁性に優れたパラキシリレン系樹脂膜106が形成されている。   Further, on the protective film 105, a paraxylylene-based resin film 106 having water resistance, chemical resistance, and the like and excellent in biocompatibility and electrical insulation is formed.

振動子ユニット32は、例えば半田接合、異方性導電フィルム接合、超音波接合等の公知の工法によりFPC35上に実装される。これにより、上述した振動子エレメント33の振動子セル100は、信号電極パッド38及び接地電極パッド39を介して、FPC35の反対側に実装された駆動回路34に電気的に接続される。   The vibrator unit 32 is mounted on the FPC 35 by a known method such as solder bonding, anisotropic conductive film bonding, or ultrasonic bonding. Thereby, the transducer cell 100 of the transducer element 33 described above is electrically connected to the drive circuit 34 mounted on the opposite side of the FPC 35 via the signal electrode pad 38 and the ground electrode pad 39.

このように、本実施形態では、振動子セル100を形成する基板を低抵抗のシリコン基板101とし、シリコン基板101を接地電位とすることにより裏面側から飛来するノイズを遮蔽し、よりS/N比の高い超音波画像を得ることが可能となる。また、振動子セル100の裏面側に信号電極パッド38及び接地電極パッド39を設けることにより、実装面積を減少させることができ、先端硬性部20を短く構成することが可能となり、超音波内視鏡1の操作性が向上する。   As described above, in this embodiment, the substrate on which the transducer cell 100 is formed is the low-resistance silicon substrate 101, and the noise that comes from the back side is shielded by setting the silicon substrate 101 to the ground potential, thereby further reducing the S / N. An ultrasonic image with a high ratio can be obtained. Further, by providing the signal electrode pad 38 and the ground electrode pad 39 on the back surface side of the transducer cell 100, the mounting area can be reduced, and the distal end rigid portion 20 can be configured to be short. The operability of the mirror 1 is improved.

なお、上述した構成では、下部電極110、上部電極120及びキャビティ107は、上方から見て略円形状を有するものであるが、これらの形状は本実施形態に限るものではなく、例えば正六角形や矩形等の多角形状やその他の形状であってもよい。メンブレン100a及びキャビティ107の寸法は、観察時に使用する超音波の波長や出力により決定されるものである。   In the above-described configuration, the lower electrode 110, the upper electrode 120, and the cavity 107 have a substantially circular shape when viewed from above. However, these shapes are not limited to the present embodiment. It may be a polygonal shape such as a rectangle or other shapes. The dimensions of the membrane 100a and the cavity 107 are determined by the wavelength and output of the ultrasonic wave used at the time of observation.

次に、本実施形態の超音波トランスデューサのエレクトレット層130が配設された領域の構成について、以下に詳細に説明する。
本実施形態においては、電荷保持手段であるエレクトレット層130は、上述の通り、上方から見て細長の形状を有する振動子エレメント33の端部に配設される。エレクトレット層130は、極性が正又は負の電荷を永続的に保持する機能を有するものである。
Next, the configuration of the region where the electret layer 130 of the ultrasonic transducer of this embodiment is disposed will be described in detail below.
In the present embodiment, as described above, the electret layer 130 serving as a charge holding unit is disposed at the end of the transducer element 33 having an elongated shape when viewed from above. The electret layer 130 has a function of permanently holding a positive or negative charge.

本実施形態のエレクトレット層130は、無機膜からなり、具体的にはプラズマCVD法等により形成されたシリコン酸化膜を、コロナ放電により帯電させることで形成される。なお、エレクトレット層130は、シリコン窒化膜や、HfO2膜、HfAl2O5膜等のHf(ハフニウム)酸化物等、他の無機膜により構成されるものであってもよい。また、エレクトレット層130は、上記無機膜が複数種類積層されて構成されるものであってもよい。   The electret layer 130 of the present embodiment is made of an inorganic film, and is specifically formed by charging a silicon oxide film formed by a plasma CVD method or the like by corona discharge. The electret layer 130 may be composed of another inorganic film such as a silicon nitride film, Hf (hafnium) oxide such as an HfO 2 film or an HfAl 2 O 5 film. Moreover, the electret layer 130 may be configured by laminating a plurality of types of the inorganic films.

図6の等価回路図に示すように、単一の振動子エレメント33内においては、エレクトレット層130の負の電荷を保持する側が、上記複数の振動子セル100のそれぞれの下部電極110に電気的に接続されている。振動子セルの上部電極120は接地されているため、エレクトレット層130は、振動子セル100の一対の電極である下部電極110と上部電極120との間に電位差を与える。   As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 6, in the single transducer element 33, the side that holds the negative charge of the electret layer 130 is electrically connected to the lower electrode 110 of each of the plurality of transducer cells 100. It is connected to the. Since the upper electrode 120 of the transducer cell is grounded, the electret layer 130 gives a potential difference between the lower electrode 110 and the upper electrode 120 which are a pair of electrodes of the transducer cell 100.

すなわち、振動子セル100は、下部電極110及び上部電極120間にDCバイアス電圧が印加された状態と電気的に同等となり、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子ユニット32は、DCバイアス電圧を外部から印加することなく超音波の送受信を行うことが可能となる。すなわち、振動子セル100を駆動する信号の電圧実効値を低くすることが可能となる。   That is, the transducer cell 100 is electrically equivalent to a state in which a DC bias voltage is applied between the lower electrode 110 and the upper electrode 120, and the transducer unit 32, which is an ultrasonic transducer of this embodiment, has a DC bias voltage. It is possible to transmit and receive ultrasonic waves without applying externally. That is, the effective voltage value of the signal for driving the transducer cell 100 can be lowered.

よって、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル32を具備した超音波診断装置は、従来のc−MUTのようにDCバイアス電圧を印加するための回路や配線を必要とせず装置の小型化を図ることができる。また、振動子セル100を駆動する駆動信号の電圧実効値を低く抑えられるため、駆動回路や配線を流れる電流値が小さくなり、消費電力を低くすることが可能である。これにより、駆動回路の更なる小型化を可能とし、また駆動回路の発熱による振動子セルの特性変動を防止することが可能となる。   Therefore, the ultrasonic diagnostic apparatus including the transducer cell 32 that is the ultrasonic transducer of the present embodiment does not require a circuit or wiring for applying a DC bias voltage unlike the conventional c-MUT, and is small in size of the apparatus. Can be achieved. In addition, since the effective voltage value of the drive signal for driving the transducer cell 100 can be kept low, the current value flowing through the drive circuit and the wiring can be reduced, and the power consumption can be reduced. As a result, the drive circuit can be further miniaturized, and fluctuations in the characteristics of the transducer cell due to heat generated by the drive circuit can be prevented.

本実施形態のエレクトレット層130は、具体的には図7の部分断面図に示すように、振動子セル100の下部電極110に電気的に接続された下部導電層114(第1の導電層)と、上部電極120に電気的に接続された上部導電層124(第2の導電層)との間に介装されている。なお、本実施形態においては、下部導電層114は、下部電極110と同一の半導体プロセスにより形成されたMoからなる導電層である。上部導電層124は、上部電極120と同一の半導体プロセスにより形成されたAlからなる導電層である。   Specifically, the electret layer 130 of the present embodiment includes a lower conductive layer 114 (first conductive layer) electrically connected to the lower electrode 110 of the transducer cell 100 as shown in the partial cross-sectional view of FIG. And an upper conductive layer 124 (second conductive layer) electrically connected to the upper electrode 120. In the present embodiment, the lower conductive layer 114 is a conductive layer made of Mo formed by the same semiconductor process as the lower electrode 110. The upper conductive layer 124 is a conductive layer made of Al formed by the same semiconductor process as the upper electrode 120.

また、エレクトレット層130と上部導電層124との間には、絶縁層である空隙部131が介装されている。該空隙部131は、本実施形態では公知の技術である犠牲層エッチングにより形成される。なお、空隙部131は、エレクトレット層130と上部導電層124とを電気的に絶縁するものであれば、他の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等であってもよい。   In addition, a gap 131 that is an insulating layer is interposed between the electret layer 130 and the upper conductive layer 124. The gap 131 is formed by sacrificial layer etching, which is a known technique in this embodiment. The gap 131 may be another insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film as long as it electrically insulates the electret layer 130 and the upper conductive layer 124.

上部導電層124の上方には、振動子セル110部と同様に、電気絶縁性を有する保護膜105が形成されている。上述のように、保護膜105は、本実施形態ではシリコン窒化膜である。   A protective film 105 having electrical insulating properties is formed above the upper conductive layer 124 as in the case of the transducer cell 110 portion. As described above, the protective film 105 is a silicon nitride film in the present embodiment.

また、エレクトレット層130の上方に配設されている上部導電層124及び保護膜105には、該上部導電層124及び保護膜105を厚さ方向に貫通する無数の微細な貫通孔132が穿設されている。該貫通孔132は、上部導電層124及び保護膜105の上方から見てエレクトレット層130に重なる領域のみに形成されるものである。貫通孔132は、本実施形態では直径がμmオーダ(直径数μm)であり、所定の分布密度でランダムに散在している。   The upper conductive layer 124 and the protective film 105 disposed above the electret layer 130 are provided with innumerable fine through holes 132 that penetrate the upper conductive layer 124 and the protective film 105 in the thickness direction. Has been. The through hole 132 is formed only in a region overlapping the electret layer 130 when viewed from above the upper conductive layer 124 and the protective film 105. In the present embodiment, the through holes 132 have a diameter on the order of μm (diameter of several μm), and are scattered randomly at a predetermined distribution density.

なお、上部導電層124及び保護膜105に穿設される貫通孔132の形態は本実施形態に限られるものではなく、貫通孔132は規則的に例えば行列上に配列されて形成されるものであってもよい。   The form of the through holes 132 formed in the upper conductive layer 124 and the protective film 105 is not limited to this embodiment, and the through holes 132 are regularly formed, for example, arranged in a matrix. There may be.

保護膜105の上方には、振動子セル110部と同様に、パラキシリレン系樹脂膜106が形成されている。   A paraxylylene-based resin film 106 is formed above the protective film 105 as in the case of the vibrator cell 110 portion.

また、図7に示すように、振動子エレメント33において、エレクトレット層130が配設される領域は、振動子セル100が形成されている領域よりも上方(超音波の送信方向)に突出するように形成されている。具体的には、振動子エレメント33の、エレクトレット層130が配設される領域の厚さWeは、振動子セル100が形成されている領域の厚さWcよりも大きくなる。   Further, as shown in FIG. 7, in the transducer element 33, the region where the electret layer 130 is disposed protrudes upward (in the ultrasonic transmission direction) from the region where the transducer cell 100 is formed. Is formed. Specifically, the thickness We of the region where the electret layer 130 of the transducer element 33 is disposed is larger than the thickness Wc of the region where the transducer cell 100 is formed.

このように、振動子セル100に隣接する領域に、振動子セル100が形成されている領域よりも超音波の送信方向に突出する構成を有することにより、本実施形態の振動子ユニット32は、他の物体との接触に起因する振動子セル100のメンブレン100aの破壊を防止することが可能となる。   As described above, the transducer unit 32 of the present embodiment has a configuration in which the transducer cell 100 protrudes in the ultrasonic wave transmission direction in the region adjacent to the transducer cell 100 from the region where the transducer cell 100 is formed. It is possible to prevent the membrane 100a of the transducer cell 100 from being damaged due to contact with other objects.

また、本実施形態においては、エレクトレット層130が形成される領域において互いに対向する平行平板電極となる上部導電層124及び下部導電層114の間隔Deは、振動子セル100の上部電極120及び下部電極110の間隔Dcよりも広くなるように形成されている。このため、超音波の送信及び受信に寄与しない領域における寄生容量の発生を抑制し、超音波ユニットの駆動の効率を上げることが可能となる。   In the present embodiment, the distance De between the upper conductive layer 124 and the lower conductive layer 114 that are parallel plate electrodes facing each other in the region where the electret layer 130 is formed is equal to the upper electrode 120 and the lower electrode of the transducer cell 100. It is formed to be wider than the interval Dc of 110. For this reason, it is possible to suppress the generation of parasitic capacitance in a region that does not contribute to transmission and reception of ultrasonic waves, and to increase the driving efficiency of the ultrasonic unit.

ここで、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子ユニット32の、エレクトレット層130のコロナ放電による帯電処理は、エレクトレット層130となるシリコン酸化膜上に空隙部131、上部導電層124及び保護膜105が形成され、さらに上部導電層124及び保護膜105を厚さ方向に貫通する貫通孔132が形成された状態において行われる。   Here, the electrification process by the corona discharge of the electret layer 130 of the vibrator unit 32 which is the ultrasonic transducer of the present embodiment is performed on the silicon oxide film to be the electret layer 130 with the gap 131, the upper conductive layer 124 and the protective film. 105 is formed, and further, a through hole 132 penetrating the upper conductive layer 124 and the protective film 105 in the thickness direction is formed.

すなわち、エレクトレット層130のコロナ放電による帯電処理は、エレクトレット層130よりも後の層構造を形成する半導体プロセスが全て終了した後に、エレクトレット層130の少なくとも一部が貫通孔132を介して上方に露出する状態において行われる。   That is, the electrification process of the electret layer 130 by corona discharge is such that at least a part of the electret layer 130 is exposed upward through the through-hole 132 after all the semiconductor processes for forming the layer structure after the electret layer 130 are completed. In the state of

そして、上記エレクトレット層130の帯電処理の後に、パラキシリレン系樹脂膜106をスピンコート法等により形成することにより、振動子ユニット32のセル形成面側の構造が完成する。   Then, after the electret layer 130 is charged, the paraxylylene-based resin film 106 is formed by spin coating or the like, thereby completing the structure on the cell formation surface side of the vibrator unit 32.

以下に、上述した構成を有する本実施形態の超音波トランスデューサ及び超音波診断装置の効果を説明する。   The effects of the ultrasonic transducer and the ultrasonic diagnostic apparatus according to this embodiment having the above-described configuration will be described below.

本実施形態の振動子ユニット32では、超音波の送信方向、すなわち振動子セル100の一対の電極である下部電極110及び上部電極120の積層方向からみた場合に、エレクトレット層130は、振動子セル100と重ならない互いに離間した領域に配設されている。このため、本実施形態の振動子ユニット32では、エレクトレット層130の厚さと、下部電極110及び上部電極120間の距離とを、それぞれ独立して設定することが可能である。   In the transducer unit 32 of the present embodiment, the electret layer 130 includes the transducer cell when viewed from the ultrasonic transmission direction, that is, the stacking direction of the lower electrode 110 and the upper electrode 120 that are a pair of electrodes of the transducer cell 100. They are arranged in areas separated from each other that do not overlap with 100. For this reason, in the vibrator unit 32 of the present embodiment, the thickness of the electret layer 130 and the distance between the lower electrode 110 and the upper electrode 120 can be set independently.

例えば、図14に示したような一対の平行平板電極である電極501、502間にエレクトレット503を配設した従来の静電容量型の超音波トランスデューサに比して、本実施形態の振動子ユニット32は、一対の平行平板電極(本実施形態では下部電極110及び上部電極120)間の距離(ギャップ)をより小さくし、かつ電荷保持手段であるエレクトレット層130をより厚くすることができる。   For example, as compared with the conventional capacitive ultrasonic transducer in which the electret 503 is disposed between the electrodes 501 and 502 which are a pair of parallel plate electrodes as shown in FIG. 32 can reduce the distance (gap) between the pair of parallel plate electrodes (the lower electrode 110 and the upper electrode 120 in the present embodiment), and can increase the thickness of the electret layer 130 serving as the charge holding means.

したがって、本実施形態によれば、従来に比して下部電極110及び上部電極120間の距離を小さくして両電極間の静電容量を大きくし、送信超音波の音圧及び受信超音波の感度を向上させるとともに、エレクトレット層130の厚さを、該エレクトレット層130が永続的に安定して電荷を保持することが可能な厚さにすることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the distance between the lower electrode 110 and the upper electrode 120 is reduced to increase the capacitance between the two electrodes, and the sound pressure of the transmission ultrasonic wave and the reception ultrasonic wave are reduced. In addition to improving the sensitivity, the thickness of the electret layer 130 can be set to a thickness that allows the electret layer 130 to hold a charge stably and permanently.

また、本実施形態の振動子ユニット32は、下部電極110及び上部電極120と、エレクトレット層130とは厚さ方向に積層されて配設されないため、従来の静電容量型の超音波トランスデューサよりも薄く構成することが可能である。   Further, in the vibrator unit 32 of the present embodiment, the lower electrode 110 and the upper electrode 120 and the electret layer 130 are not laminated and disposed in the thickness direction, and therefore, more than a conventional capacitive ultrasonic transducer. It can be made thin.

また同様に、振動子セルとエレクトレットとを厚さ方向に積層して構成された従来の静電容量型の超音波トランスデューサに比して、本実施形態の振動子ユニット32は、超音波の送信方向についての厚さをより薄くすることが可能である。   Similarly, the transducer unit 32 of the present embodiment transmits ultrasonic waves as compared with a conventional capacitive ultrasonic transducer configured by stacking transducer cells and electrets in the thickness direction. It is possible to make the thickness in the direction thinner.

よって、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子ユニット32は、従来に比してより薄く、かつ低電圧による駆動時においてより高い送信超音波の音圧及びより高い受信超音波の感度を有するものであって、さらにその特性を永続的に維持することができる。   Therefore, the transducer unit 32 that is the ultrasonic transducer of the present embodiment is thinner than the conventional one, and has higher sound pressure of transmitted ultrasonic waves and higher sensitivity of received ultrasonic waves when driven by a low voltage. In addition, its characteristics can be maintained permanently.

言い換えれば、所定の送信超音波の音圧及び受信超音波の感度を発揮する際において、本実施形態は、長期にわたって初期の性能を維持し、従来に比してより薄型であり、かつ低い電圧で駆動可能な超音波トランスデューサを実現するものである。   In other words, the present embodiment maintains the initial performance over a long period of time when exerting the sound pressure of the predetermined transmission ultrasonic wave and the sensitivity of the reception ultrasonic wave, is thinner than the conventional one, and has a low voltage. An ultrasonic transducer that can be driven by is realized.

また、本実施形態によれば、薄型かつ低電圧による駆動が可能な振動子ユニット32を具備して構成される超音波診断装置を、従来よりも長寿命かつ小型に構成することが可能である。例えば、図1に示すような超音波内視鏡1であれば、振動子アレイ31の外径を従来よりも細径化することができ、より被検者にとって負担の少ない診断を実現することができる。   In addition, according to the present embodiment, the ultrasonic diagnostic apparatus that includes the transducer unit 32 that is thin and can be driven by a low voltage can be configured to have a longer life and a smaller size than the conventional one. . For example, in the case of the ultrasonic endoscope 1 as shown in FIG. 1, the outer diameter of the transducer array 31 can be made smaller than before, and a diagnosis with less burden on the subject can be realized. Can do.

また、本実施形態の振動子ユニット32では、エレクトレット層130の上層に配設される上部導電層124及び保護膜105には、該上部導電層124及び保護膜105を厚さ方向に貫通する貫通孔132が形成されている。上部導電層124及び保護膜105の形成工程が終了した時点において、エレクトレット層130は、超音波の送信方向から見て振動子セル100とは離間した領域に配設されるため、該貫通孔132を介して少なくとも一部が上方(超音波の送信方向)に露出する。   Further, in the vibrator unit 32 of the present embodiment, the upper conductive layer 124 and the protective film 105 disposed in the upper layer of the electret layer 130 penetrate through the upper conductive layer 124 and the protective film 105 in the thickness direction. A hole 132 is formed. At the time when the formation process of the upper conductive layer 124 and the protective film 105 is completed, the electret layer 130 is disposed in a region separated from the transducer cell 100 when viewed from the transmission direction of the ultrasonic wave. At least a portion is exposed upward (in the transmission direction of the ultrasonic wave) via.

このような構成を有する本実施形態の振動子ユニット32では、エレクトレット層130に対してコロナ放電により帯電処理を施す工程は、上部導電層124及び保護膜105が形成された後に容易に実施することが可能となる。この帯電処理においては、コロナ放電により生じる電荷は、エレクトレット層130を覆う導電層である上部導電層124に全てが捉えられてしまうのではなく、一部が貫通孔132を介してエレクトレット層130上に到達する。そして、エレクトレット層130の帯電処理が終了した後には、パラキシリレン系樹脂膜106の形成工程が行われて、振動子ユニット32のセル形成面側の構造が完成する。なお、パラキシリレン系樹脂には、フッ素(F)が含有されているものが耐薬品性が高いため好ましい。   In the vibrator unit 32 of this embodiment having such a configuration, the process of performing the charging process by corona discharge on the electret layer 130 is easily performed after the upper conductive layer 124 and the protective film 105 are formed. Is possible. In this charging process, the charge generated by the corona discharge is not completely captured by the upper conductive layer 124 that is a conductive layer covering the electret layer 130, but a part of the charge is generated on the electret layer 130 through the through hole 132. To reach. After the electret layer 130 is charged, a paraxylylene-based resin film 106 is formed, and the structure on the cell formation surface side of the vibrator unit 32 is completed. In addition, the paraxylylene resin preferably contains fluorine (F) because of high chemical resistance.

言い換えれば、本実施形態においては、半導体プロセスにより形成される層構造が全て形成された後に、エレクトレット層130に対する帯電処理が行われるのであり、エレクトレット層130に帯電処理がなされた後には、該エレクトレット層130の温度を高温にする工程、例えばCVDのような工程は存在しない。   In other words, in the present embodiment, the electret layer 130 is charged after all the layer structures formed by the semiconductor process are formed. After the electret layer 130 is charged, the electret layer 130 is charged. There is no process for raising the temperature of the layer 130, such as CVD.

一般に、電荷保持手段であるエレクトレットは、高温にすると電荷を放出してしまい保持する電荷量が低下する性質を有する。例えば、本実施形態のシリコン酸化膜からなるエレクトレット層130は、およそ400℃以上の温度とすることにより、帯電量の低下が発生してしまう。エレクトレット層130が保持する電荷量が低下してしまうと、下部電極110及び上部電極120間に印加される直流電圧成分が低下してしまうため、特に振動子ユニット32の受信超音波の感度が低下してしまう。   In general, electrets as charge holding means have the property of releasing charges when the temperature is raised and reducing the amount of charges held. For example, the electret layer 130 made of the silicon oxide film according to the present embodiment causes a decrease in charge amount when the temperature is about 400 ° C. or higher. When the amount of electric charge held by the electret layer 130 is reduced, the direct current voltage component applied between the lower electrode 110 and the upper electrode 120 is reduced. Resulting in.

例えば、従来の図14に示したような一対の平行平板電極である電極501、502間にエレクトレット503を配設した静電容量型の超音波トランスデューサを半導体プロセスにより形成する場合、エレクトレット503に帯電処理を施した後に上層側の電極501や絶縁膜の成膜に400℃以上の温度で行われる処理が用いられると、エレクトレット503の帯電量が低下してしまい、超音波トランスデューサの感度が低下してしまうのである。エレクトレット503の帯電処理後は超音波トランスデューサの製造工程を全て400℃以下で行うことで、エレクトレット503の帯電量の低下を防止する方法も考えられるが、使用可能な成膜方法か限られるため必要な製造装置が増え工程が複雑化するため、コストの増加を招いてしまうという問題がある。   For example, when a capacitive ultrasonic transducer in which an electret 503 is disposed between a pair of parallel plate electrodes 501 and 502 as shown in FIG. 14 is formed by a semiconductor process, the electret 503 is charged. If a process performed at a temperature of 400 ° C. or higher is used for forming the upper layer electrode 501 or the insulating film after the process is performed, the electret 503 has a reduced charge amount and the sensitivity of the ultrasonic transducer is decreased. It will end up. After the electret 503 is charged, it is possible to prevent the electret 503 from having a reduced charge amount by performing all steps of manufacturing the ultrasonic transducer at 400 ° C. or lower. There is a problem that the cost increases because the number of manufacturing apparatuses increases and the process becomes complicated.

しかしながら、本実施形態の構成を有する振動子ユニット32は、上述のように帯電処理がなされた後のエレクトレット層130を、該エレクトレット層130が保持する電荷量が低下してしまう温度にまで加熱することなく製造することが可能な構成を有するのである。   However, the vibrator unit 32 having the configuration of the present embodiment heats the electret layer 130 that has been charged as described above to a temperature at which the amount of charge held by the electret layer 130 is reduced. It has the structure which can be manufactured without it.

したがって、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子ユニット32は、従来に比して、エレクトレット層130が保持する電荷量をより高くすることが可能であり、低電圧による駆動時においてより高い受信超音波の感度を有するのである。また、本実施形態の振動子ユニット32は、比較的低温、例えば400℃以下の処理温度で行われる半導体プロセスを必要としないため、より汎用的な半導体製造装置によって低コストで製造することが可能である。   Therefore, the vibrator unit 32 which is the ultrasonic transducer of the present embodiment can increase the amount of electric charge held by the electret layer 130 as compared with the conventional case, and can receive higher when driven by a low voltage. It has ultrasonic sensitivity. Further, since the vibrator unit 32 of the present embodiment does not require a semiconductor process performed at a relatively low temperature, for example, a processing temperature of 400 ° C. or less, it can be manufactured by a more general-purpose semiconductor manufacturing apparatus at a low cost. It is.

なお、上述した本実施形態では、エレクトレット層130は、シリコン酸化膜等の単層又は複層の無機膜に帯電処理が施されたものとして説明しているが、エレクトレット層130の形態はこれに限られるものではない。   In the above-described embodiment, the electret layer 130 is described as a single-layer or multiple-layer inorganic film such as a silicon oxide film, but the electret layer 130 is in this form. It is not limited.

例えば、エレクトレット層130は、有機膜からなり、具体的には一般的にFEPと称されるフッ素樹脂をコロナ放電により帯電させることで形成されるものであってもよいしFEP以外のフッ素樹脂や、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン等の他の有機膜により構成されるものであってもよい。   For example, the electret layer 130 is made of an organic film, and may be specifically formed by charging a fluororesin generally called FEP by corona discharge, or may be a fluororesin other than FEP, , Other organic films such as polyimide, polypropylene, and polymethylpentene may be used.

これらの有機膜からなるエレクトレットは、従来から他の分野で使用されてきた形態のものであり、長期にわたって安定して電荷を保持することが可能なことで知られている。しかしながら、有機膜からなるエレクトレットは、高温にすることで保持する電荷量が低下してしまう性質を有し、特にこの保持する電荷量の低下は、無機膜からなるエレクトレットよりも低い100℃〜200℃程度で発生してしまうため、半導体プロセスにより形成される静電容量型の超音波トランスデューサには適用が困難なものであった。   Electrets made of these organic films have been used in other fields in the past, and are known to be able to hold charges stably over a long period of time. However, the electret made of an organic film has a property that the amount of charge to be retained is lowered by increasing the temperature, and the decrease in the amount of retained charge is particularly lower than that of the electret made of an inorganic film at 100 ° C. to 200 ° C. Since it occurs at about 0 ° C., it has been difficult to apply to a capacitive ultrasonic transducer formed by a semiconductor process.

しかしながら、本実施形態の振動子ユニット32では、上述のようにエレクトレットへの帯電処理は半導体プロセスの終了後に実施されるため、エレクトレットを有機膜で構成したとしても該エレクトレットが保持する電荷量が低下してしまうことがない。   However, in the vibrator unit 32 of the present embodiment, since the electret is charged after the semiconductor process as described above, even if the electret is formed of an organic film, the amount of charge held by the electret is reduced. There is no end to it.

したがって本実施形態によれば、振動子ユニット32のエレクトレットを、従来より長期間安定して電荷を保持することが可能な有機膜によって構成することができ、従来に比して、より長寿命な静電容量型の超音波トランスデューサを提供することが可能となる。   Therefore, according to the present embodiment, the electret of the vibrator unit 32 can be constituted by an organic film that can hold charges more stably than in the past, and has a longer lifetime than in the past. It is possible to provide a capacitive ultrasonic transducer.

また、上述した実施形態においては、負の電荷を保持するエレクトレット層130は、振動子セル100の下部電極110に電気的に接続される下部導電層114に接して形成さる。そして、該エレクトレット層130と上部導電層124との間には絶縁層である空隙部131が介装される。   Further, in the above-described embodiment, the electret layer 130 that holds negative charges is formed in contact with the lower conductive layer 114 that is electrically connected to the lower electrode 110 of the transducer cell 100. A gap 131 that is an insulating layer is interposed between the electret layer 130 and the upper conductive layer 124.

このような形態は、特に振動子ユニット32の超音波の送信時に駆動回路34から出力され下部電極110に与えられる電圧信号が、負の極性を有する場合において有効である。これは、このような形態では下部電極110及び上部電極120間に負の極性の直流電圧成分がエレクトレット層130により印加されるからであり、またエレクトレット層130が保持する電荷が接地電位である上部導電層124から流れ出てしまうことを防止することが可能だからである。   Such a configuration is particularly effective when the voltage signal output from the drive circuit 34 and applied to the lower electrode 110 during transmission of ultrasonic waves from the transducer unit 32 has a negative polarity. This is because, in such a configuration, a negative polarity DC voltage component is applied between the lower electrode 110 and the upper electrode 120 by the electret layer 130, and the charge held by the electret layer 130 is the ground potential. This is because it can be prevented from flowing out of the conductive layer 124.

また、エレクトレット層130による電荷の保持をより確実なものとするためには、エレクトレット層130の周囲全面を絶縁膜により覆うことが効果的である。なお、このエレクトレット層130の周囲全面を覆う絶縁膜は、複数の絶縁膜に分かれていてもよいことはいうまでもない。   Further, in order to more reliably retain the electric charge by the electret layer 130, it is effective to cover the entire periphery of the electret layer 130 with an insulating film. Needless to say, the insulating film covering the entire surface of the electret layer 130 may be divided into a plurality of insulating films.

例えば、本実施形態の変形例として図8に示すように、エレクトレット層130の下層側及び上層側に絶縁層138及び139を形成することにより、エレクトレット層130の周囲全面を絶縁性の膜により覆う構成であれば、エレクトレット層130による電荷の保持をより確実なものとすることができる。図8に示す本実施形態の変形例において、エレクトレット層130がシリコン酸化膜により構成される場合には、エレクトレット層130を覆う第2絶縁膜104、保護膜105、絶縁層138及び139は、シリコン窒化膜により構成されることが好ましい。   For example, as shown in FIG. 8 as a modification of the present embodiment, insulating layers 138 and 139 are formed on the lower layer side and the upper layer side of the electret layer 130 to cover the entire surface of the electret layer 130 with an insulating film. If it is a structure, the electric charge retention by the electret layer 130 can be made more reliable. In the modification of the present embodiment shown in FIG. 8, when the electret layer 130 is made of a silicon oxide film, the second insulating film 104, the protective film 105, and the insulating layers 138 and 139 covering the electret layer 130 are made of silicon. A nitride film is preferably used.

なお、駆動回路34から出力される信号の極性と、該信号が下部電極110又は上部電極120のどちらに印加されるかによって、エレクトレット層130が保持する電荷の極性及び絶縁層である空隙部131が介装される位置は適宜に変更されるものであり、上述した実施形態に限られるものではない。   Note that, depending on the polarity of the signal output from the drive circuit 34 and whether the signal is applied to the lower electrode 110 or the upper electrode 120, the polarity of the charge held by the electret layer 130 and the gap portion 131 which is an insulating layer. The position where the is interposed is appropriately changed, and is not limited to the above-described embodiment.

また、超音波トランスデューサを具備して構成される超音波診断装置においては、外来ノイズを遮蔽しS/N比を向上させるために、超音波トランスデューサとは電気的に独立して接地された導電層であるシールド層により、該超音波トランスデューサを被覆することがある。   Further, in an ultrasonic diagnostic apparatus configured to include an ultrasonic transducer, a conductive layer that is electrically grounded independently from the ultrasonic transducer in order to shield external noise and improve the S / N ratio. The ultrasonic transducer may be covered with a shield layer.

上述した実施形態に該シールド層を適用する場合において、例えばシールド層により振動子セル32を被覆する工程が、エレクトレット層130が保持する電荷量が低下してしまう温度において行われるものであるのならば、シールド層のエレクトレット層130上に重なる領域には上部導電層124と同様に貫通孔が形成され、該貫通孔を介してエレクトレット層130への帯電処理が実施される。   In the case where the shield layer is applied to the above-described embodiment, for example, the step of covering the vibrator cell 32 with the shield layer is performed at a temperature at which the charge amount held by the electret layer 130 is reduced. For example, a through hole is formed in the shield layer on the electret layer 130 in the same manner as the upper conductive layer 124, and the electret layer 130 is charged through the through hole.

例えばシールド層により振動子セル32を被覆する工程が、エレクトレット層130が保持する電荷量が低下してしまう温度よりも低い温度において行われるものであるのならば、シールド層は、エレクトレット層130への帯電処理が実施された後に形成され、貫通孔が形成される必要はない。   For example, if the step of covering the transducer cell 32 with the shield layer is performed at a temperature lower than the temperature at which the amount of charge held by the electret layer 130 is reduced, the shield layer is transferred to the electret layer 130. It is formed after the charging process is performed, and it is not necessary to form a through hole.

なお、本実施形態の振動子ユニットは、導電性のシリコン基板101を基材として構成されているものであるが、振動子ユニットは、電気絶縁性を有する石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂等の絶縁性材料により構成された基材上に形成されるものであってもよい。   Note that the vibrator unit of the present embodiment is configured using the conductive silicon substrate 101 as a base material, but the vibrator unit includes quartz, sapphire, crystal, alumina, zirconia, You may form on the base material comprised with insulating materials, such as glass and resin.

また、本実施形態の超音波内視鏡は、電子式のラジアル走査を行うものとして説明しているが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査、機械式走査等を採用したものであってもよい。また、振動子アレイを複数の振動子エレメントを2次元に配列した2次元アレイとしたものであってもよいし、振動子エレメントをアレイ状に配列した形態のみでなく、単一の振動子エレメントを用いた形態であってもよい。   Moreover, although the ultrasonic endoscope of the present embodiment has been described as performing electronic radial scanning, the scanning method is not limited to this, and linear scanning, convex scanning, mechanical scanning, and the like are performed. It may be adopted. Further, the transducer array may be a two-dimensional array in which a plurality of transducer elements are arranged two-dimensionally, or may be a single transducer element as well as a form in which the transducer elements are arranged in an array. The form using may be sufficient.

また、本実施形態の超音波診断装置は、光学観察窓を具備しない超音波プローブ型のものであってもよいし、カプセル型の超音波内視鏡でもよい。また、超音波診断装置は、被検体の体表面上から体腔内に向けて超音波走査を行ういわゆる体外式の超音波診断装置であってもよい。また、超音波診断装置は、工業分野において用いられる非破壊検査装置や非破壊探傷装置であってもよい。   Further, the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present embodiment may be an ultrasonic probe type that does not include an optical observation window, or may be a capsule type ultrasonic endoscope. Further, the ultrasonic diagnostic apparatus may be a so-called extracorporeal ultrasonic diagnostic apparatus that performs ultrasonic scanning from the body surface of the subject toward the body cavity. The ultrasonic diagnostic apparatus may be a nondestructive inspection apparatus or a nondestructive flaw detection apparatus used in the industrial field.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について、図9を参照して説明する。図9は、第2の実施形態に係る振動子エレメントの断面図である。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of the transducer element according to the second embodiment.

第2の実施形態では、第1の実施形態の構成に対し、エレクトレット層が形成される領域の構成のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第1の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。   In the second embodiment, only the configuration of the region where the electret layer is formed is different from the configuration of the first embodiment. Therefore, only this difference will be described below, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.

本実施形態の振動子ユニットは、第1の実施形態に比して、図9に示すように、振動子エレメント33aのエレクトレット層130が形成される領域が、振動子セル100が形成される領域から超音波の送信方向へ突出しない構成を有する。   As compared with the first embodiment, the vibrator unit of the present embodiment has a region where the electret layer 130 of the vibrator element 33a is formed as shown in FIG. The configuration does not protrude in the ultrasonic wave transmission direction.

本実施形態の振動子エレメント33aは、シリコン基板101のエレクトレット層130が形成される領域に凹部101aを形成することにより、超音波を送信する側の表面の凹凸を無くしたものである。   In the transducer element 33a of the present embodiment, the concave portion 101a is formed in the region where the electret layer 130 of the silicon substrate 101 is formed, thereby eliminating the irregularities on the surface on the ultrasonic wave transmitting side.

このような構成とすることにより、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子ユニットは、振動子セル100を形成する半導体プロセスにおけるパターニングの精度が向上する。   With such a configuration, the transducer unit that is the ultrasonic transducer of the present embodiment improves the patterning accuracy in the semiconductor process for forming the transducer cell 100.

すなわち、本実施形態の振動子ユニットは、振動子セル100の寸法精度を第1の実施形態に比して向上させることができ、音響的な特性が均一な振動子セル100を形成することが可能となる。   That is, the transducer unit of the present embodiment can improve the dimensional accuracy of the transducer cell 100 as compared with the first embodiment, and can form the transducer cell 100 with uniform acoustic characteristics. It becomes possible.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について、図10及び図11を参照して説明する。図10は、本実施形態の超音波振動子ユニット233の上面図である。図11は、図10のXI-XI断面図である。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a top view of the ultrasonic transducer unit 233 of the present embodiment. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG.

第3の実施形態では、第1の実施形態の構成に対し、振動子セルとエレクトレット層とが形成される領域の位置関係のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第1の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。   The third embodiment differs from the configuration of the first embodiment only in the positional relationship between the regions where the transducer cells and the electret layers are formed. Therefore, only this difference will be described below, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.

図10に示すように、本実施形態の振動子ユニット233は、上方(超音波の送信方向)から見て行列状に配列された複数の振動子セル200と、該振動子セル200とは上方から見て離間した領域に形成された複数のエレクトレット層230とを具備して構成されている。図10においては、説明のため、振動子セル200の上部電極220と同一の導電層により形成されたパターンを実線で示し、下部電極210と同一の導電層により形成されたパターンを破線で示し、エレクトレット層130が配設された領域を二点鎖線で示している
具体的には、振動子ユニット233の一部である2行2列に互いに隣接して配列された4箇所の振動子セル200に着目した場合、エレクトレット層230は、該4箇所の振動子セル200の全てから、超音波の送信方向に対して直交する方向に等しい距離となる位置に配設される。すなわち、2行2列の該4箇所の振動子セル200の対角に位置する2箇所の振動子セル200の中心を含み、かつ超音波の送信方向に平行な平面による断面(図11)においては、振動子セル200とエレクトレット層230が配設される領域とが交互に配列される。
As shown in FIG. 10, the transducer unit 233 of the present embodiment includes a plurality of transducer cells 200 arranged in a matrix when viewed from above (the transmission direction of ultrasonic waves), and the transducer cells 200 are And a plurality of electret layers 230 formed in regions separated from each other. In FIG. 10, for the sake of explanation, a pattern formed by the same conductive layer as the upper electrode 220 of the transducer cell 200 is indicated by a solid line, a pattern formed by the same conductive layer as the lower electrode 210 is indicated by a broken line, A region where the electret layer 130 is disposed is indicated by a two-dot chain line. Specifically, four transducer cells 200 arranged adjacent to each other in two rows and two columns, which are a part of the transducer unit 233. In particular, the electret layer 230 is disposed at a position that is equal to the distance from all of the four transducer cells 200 in the direction orthogonal to the ultrasonic transmission direction. That is, in a cross section (FIG. 11) by a plane including the centers of two transducer cells 200 positioned diagonally of the four transducer cells 200 in 2 rows and 2 columns and parallel to the ultrasonic transmission direction. Are arranged alternately with regions where the transducer cells 200 and the electret layers 230 are disposed.

図11に示すように、本実施形態の振動子ユニット233は、第1の実施形態と同様に、両表面にそれぞれ電気絶縁性を有するシリコン酸化膜である第1絶縁膜202及び裏面絶縁膜209が形成された低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板201上に、半導体プロセス等を用いたマイクロマシニング技術により形成される。   As shown in FIG. 11, similarly to the first embodiment, the vibrator unit 233 of the present embodiment has a first insulating film 202 and a back insulating film 209 that are silicon oxide films having electrical insulation properties on both surfaces. Is formed by a micromachining technique using a semiconductor process or the like on a silicon substrate 201 made of a low-resistance silicon semiconductor.

振動子セル200及びエレクトレット層230が配設される領域の構成は、第1の実施形態と同様であるのでその詳細な説明は省略し、以下にその構成のみを説明する。   Since the configuration of the region where the transducer cell 200 and the electret layer 230 are disposed is the same as that of the first embodiment, a detailed description thereof will be omitted, and only the configuration will be described below.

振動子セル200は、上方から見て略円形状の導電層である下部電極210と、該下部電極に対向して配設される上方から見て略円形状の導電層である上部電極220と、該下部電極210及び上部電極220間に介装された略円筒状の空隙部であるキャビティ207とを具備して構成される。そして、下部電極210及び上部電極220を電気的に絶縁する目的で、第2絶縁膜203及び第3絶縁膜204が、それぞれ下部電極210及び上部電極220のキャビティ207側に配設されている。また、上部電極220上には、保護膜205及びパラキシリレン系樹脂膜206が配設される。   The transducer cell 200 includes a lower electrode 210, which is a substantially circular conductive layer when viewed from above, and an upper electrode 220, which is a substantially circular conductive layer, which is disposed so as to face the lower electrode. And a cavity 207 which is a substantially cylindrical gap portion interposed between the lower electrode 210 and the upper electrode 220. For the purpose of electrically insulating the lower electrode 210 and the upper electrode 220, the second insulating film 203 and the third insulating film 204 are disposed on the cavity 207 side of the lower electrode 210 and the upper electrode 220, respectively. A protective film 205 and a paraxylylene resin film 206 are disposed on the upper electrode 220.

本実施形態の振動子セル200は、上述した振動子セル200の上部電極220、第3絶縁膜204、保護膜205及びパラキシリレン系樹脂膜206により構成される弾性を有する膜状の構造体であるメンブレン200a(振動膜)の振動により、超音波を送受信する。   The vibrator cell 200 of the present embodiment is an elastic film-like structure including the upper electrode 220, the third insulating film 204, the protective film 205, and the paraxylylene resin film 206 of the vibrator cell 200 described above. Ultrasound is transmitted and received by the vibration of the membrane 200a (vibrating membrane).

一方、エレクトレット層230が配設される領域は、振動子セル200の下部電極210に電気的に接続された下部導電層214と、上部電極220に電気的に接続された上部導電層224と、該下部導電層214及び上部導電層224の間に介装されたエレクトレット層230とにより構成されている。また、エレクトレット層230と、上部導電層224との間には絶縁層である空隙部231が介装されている。   On the other hand, the region where the electret layer 230 is disposed includes a lower conductive layer 214 electrically connected to the lower electrode 210 of the transducer cell 200, an upper conductive layer 224 electrically connected to the upper electrode 220, The electret layer 230 is interposed between the lower conductive layer 214 and the upper conductive layer 224. Further, a gap 231 that is an insulating layer is interposed between the electret layer 230 and the upper conductive layer 224.

そして、エレクトレット層230の上方に配設されている上部導電層224及び保護膜205には、該上部導電層224及び保護膜205を厚さ方向に貫通する無数の微細な貫通孔232が穿設されている。   The upper conductive layer 224 and the protective film 205 disposed above the electret layer 230 are provided with countless fine through holes 232 that penetrate the upper conductive layer 224 and the protective film 205 in the thickness direction. Has been.

また、図10に示すように、本実施形態においては、振動子セル200及びエレクトレット層230が配設された領域以外においては、上部電極220と同一の導電層により形成されたパターン(図10中の実線)と、下部電極210と同一の導電層により形成されたパターン(図10中の破線)とは、互いに重ならないように配設されている。   Further, as shown in FIG. 10, in this embodiment, a pattern (in FIG. 10) formed by the same conductive layer as that of the upper electrode 220 except for the region where the transducer cell 200 and the electret layer 230 are disposed. ) And a pattern (broken line in FIG. 10) formed by the same conductive layer as the lower electrode 210 are arranged so as not to overlap each other.

すなわち、本実施形態においては、複数の上部電極220と複数の上部導電層224とを電気的に接続する上部電極配線221と、複数の下部電極210と複数の下部導電層214とを電気的に接続する下部電極配線211とは、上方から見て互い異なる領域に、交互に又は角度を変えて配置されている。   That is, in the present embodiment, the upper electrode wiring 221 that electrically connects the plurality of upper electrodes 220 and the plurality of upper conductive layers 224, and the plurality of lower electrodes 210 and the plurality of lower conductive layers 214 are electrically connected. The lower electrode wirings 211 to be connected are arranged alternately or at different angles in different regions as viewed from above.

このように、上部導電層224と下部導電層214とを上方から見て互いに重ならないように配設することにより、配線部における寄生容量の発生を防止することができる。   Thus, by arranging the upper conductive layer 224 and the lower conductive layer 214 so as not to overlap each other when viewed from above, it is possible to prevent the occurrence of parasitic capacitance in the wiring portion.

以上のような構成を有する振動子エレメント233を具備した本実施形態の振動子ユニットは、上述した第1の実施形態と同様の効果を有するとともに、さらに以下のような効果を有する。   The vibrator unit according to this embodiment including the vibrator element 233 having the above-described configuration has the same effects as those of the first embodiment described above, and further has the following effects.

本実施形態の振動子ユニットは、エレクトレット層230を複数の振動子セル200間に配設することによって、振動子ユニットを超音波の送信方向から見た場合に、超音波の送信及び受信に寄与しない領域の面積を、第1の実施形態よりも小さくすることが可能となる。いわば、振動子ユニットの超音波送受面の利用効率を向上させることができるのである。   The vibrator unit according to the present embodiment contributes to the transmission and reception of ultrasonic waves when the electret layer 230 is disposed between the plurality of vibrator cells 200 when the vibrator unit is viewed from the ultrasonic transmission direction. It is possible to make the area of the area not to be smaller than that of the first embodiment. In other words, the utilization efficiency of the ultrasonic transmission / reception surface of the transducer unit can be improved.

したがって、本実施形態の振動子ユニットは、より高効率に超音波の送信及び受信が可能であり、より小型な超音波診断装置を提供することを可能とするものである。   Therefore, the transducer unit of this embodiment can transmit and receive ultrasonic waves with higher efficiency, and can provide a more compact ultrasonic diagnostic apparatus.

なお、エレクトレット層230は、振動子ユニットの振動子セル200に直流電圧を印加するに足る量の電荷を保持するものであればよく、図10に示すように複数の振動子セル200の間の全ての領域に配設されるものでなくともよい。   Note that the electret layer 230 only needs to hold an amount of charge sufficient to apply a DC voltage to the transducer cell 200 of the transducer unit. As shown in FIG. It does not have to be arranged in all areas.

また、上述した本実施形態においては、エレクトレット層は、複数の領域に分割されて配設されているものであるが、エレクトレット層は、振動子セルが形成された領域とは異なる離間した領域内であれば単一の連続した形状で配設されるものであってもよい。   Further, in the present embodiment described above, the electret layer is divided into a plurality of regions, but the electret layer is in a separate region different from the region where the transducer cells are formed. If so, it may be arranged in a single continuous shape.

例えば、図12に示すように、行列状に配列された複数の振動子セル200の間の領域を埋めるような格子状の領域にエレクトレット層230aが配設されるものであってもよい。   For example, as shown in FIG. 12, the electret layer 230a may be disposed in a lattice-shaped region that fills the region between the plurality of transducer cells 200 arranged in a matrix.

(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について、図13を参照して説明する。第4の実施形態は、上述した本発明の超音波トランスデューサを、超音波顕微鏡に適用したものである。図13は、本実施形態の超音波顕微鏡の構成を説明する図である。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, the above-described ultrasonic transducer of the present invention is applied to an ultrasonic microscope. FIG. 13 is a diagram illustrating the configuration of the ultrasonic microscope according to the present embodiment.

超音波顕微鏡300は、高周波発振器301で発生した高周波信号を、サーキュレータ302を介して本発明に係る超音波トランスデューサ303に印加し、超音波に変換する。この超音波を音響レンズ304で収束し、その収束点には試料305を配置する。試料305はサンプルホルダー306により保持され、試料305と音響レンズ304のレンズ面との間には水等のカプラ307が充填される。試料305からの反射波は音響レンズ304を介してトランスデューサ303により受信され、電気的な反射信号に変換される。超音波トランスデューサ303から出力される受信超音波に対応した電気信号は、サーキュレータ302を介して表示装置308へ入力される。サンプルホルダー306は走査回路309により制御される走査装置310により水平面内をXYの2軸方向に駆動される。   The ultrasonic microscope 300 applies the high-frequency signal generated by the high-frequency oscillator 301 to the ultrasonic transducer 303 according to the present invention via the circulator 302 and converts it into ultrasonic waves. The ultrasonic wave is converged by the acoustic lens 304, and the sample 305 is disposed at the convergence point. The sample 305 is held by a sample holder 306, and a coupler 307 such as water is filled between the sample 305 and the lens surface of the acoustic lens 304. The reflected wave from the sample 305 is received by the transducer 303 via the acoustic lens 304 and converted into an electrical reflected signal. An electrical signal corresponding to the received ultrasonic wave output from the ultrasonic transducer 303 is input to the display device 308 via the circulator 302. The sample holder 306 is driven in the XY biaxial directions in the horizontal plane by the scanning device 310 controlled by the scanning circuit 309.

以上のように構成された超音波顕微鏡300は、超音波を試料305に照射して試料305の音響的特性を評価することにより、試料305の弾性的性質を定量化したり、薄膜の構造を評価することが可能である。   The ultrasonic microscope 300 configured as described above quantifies the elastic properties of the sample 305 and evaluates the structure of the thin film by irradiating the sample 305 with ultrasonic waves and evaluating the acoustic characteristics of the sample 305. Is possible.

上述した実施形態に基づいて、以下の構成を提案することができる。すなわち、
(付記1)
マイクロマシンプロセスを用いた静電容量型超音波トランスデューサにおいて、
基板上に配設された多数の振動子セルから構成され、該振動子セルは少なくとも上部電極及び絶縁膜からなる振動膜と、
前記振動膜に接した空隙部と、
前記上部電極と対向し前記空隙部を隔てて配設された下部電極と、
電荷を保持したエレクトレット層が、前記振動子セルと同一基板の前記振動子セルと重ならない位置に配設され、かつ前記振動膜とほぼ垂直な方向に前記上部電極と前記下部電極との間に挟まれるような構成を有することを特徴とする静電容量型超音波トランスデューサ。
Based on the embodiment described above, the following configuration can be proposed. That is,
(Appendix 1)
In capacitive ultrasonic transducers using micromachine processes,
It is composed of a large number of transducer cells disposed on a substrate, and the transducer cell includes at least an upper electrode and a vibration film made of an insulating film,
A gap in contact with the vibrating membrane;
A lower electrode disposed opposite to the upper electrode and spaced apart from the gap,
An electret layer holding a charge is disposed at a position where it does not overlap the vibrator cell on the same substrate as the vibrator cell, and between the upper electrode and the lower electrode in a direction substantially perpendicular to the vibration film. A capacitive ultrasonic transducer having a configuration of being sandwiched.

(付記2)
前記エレクトレット層は、前記振動膜部より音響放射部側に突出したことを特徴とする付記1に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
(Appendix 2)
The capacitive ultrasonic transducer according to appendix 1, wherein the electret layer protrudes from the vibrating membrane portion toward the acoustic radiation portion.

(付記3)
前記エレクトレット層は、シリコン化合物またはハフニウム化合物からなることを特徴とする付記1に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
(Appendix 3)
2. The capacitive ultrasonic transducer according to appendix 1, wherein the electret layer is made of a silicon compound or a hafnium compound.

(付記4)
前記エレクトレット層は、少なくともフッ素系樹脂からなることを特徴とする付記1に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
(Appendix 4)
The capacitive ultrasonic transducer according to appendix 1, wherein the electret layer is made of at least a fluorine-based resin.

(付記5)
前記エレクトレット層部分の基板を凹状とし、振動子表面をほぼフラットにした構造であることを特徴とする付記1に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
(Appendix 5)
2. The capacitive ultrasonic transducer according to appendix 1, wherein the electret layer portion has a concave substrate and the surface of the vibrator is substantially flat.

(付記6)
体腔内に挿入する挿入部先端に付記1に記載の静電容量型超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする体腔内挿入型超音波診断装置。
(Appendix 6)
An intracorporeal insertion type ultrasonic diagnostic apparatus comprising the capacitive ultrasonic transducer according to appendix 1 at a distal end of an insertion portion to be inserted into a body cavity.

なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. A transducer, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope are also included in the technical scope of the present invention.

超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of an ultrasonic endoscope. 超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the front-end | tip part of an ultrasonic endoscope. 振動子アレイの斜視図である。It is a perspective view of a vibrator array. 振動子ユニットを超音波の送信方向からみた上面図である。It is the top view which looked at a vibrator unit from the transmitting direction of an ultrasonic wave. 図4のV-V断面図である。It is VV sectional drawing of FIG. 振動子ユニットの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a vibrator unit. 振動子ユニットのエレクトレット層が形成された領域の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the field in which the electret layer of the vibrator unit was formed. 第1の実施形態の変形例のエレクトレット層が形成された領域の部分断面図である。FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a region where an electret layer according to a modification of the first embodiment is formed. 第2の実施形態の振動子エレメントの断面図である。It is sectional drawing of the vibrator | oscillator element of 2nd Embodiment. 第3の実施形態の振動子ユニットの上面図である。It is a top view of the vibrator unit according to the third embodiment. 図9のX-X断面図である。It is XX sectional drawing of FIG. 第3の実施形態の変形例の振動子ユニットの上面図である。FIG. 10 is a top view of a transducer unit according to a modification of the third embodiment. 超音波顕微鏡の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of an ultrasonic microscope. 従来の静電容量型トランスデューサの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a conventional capacitive transducer.

符号の説明Explanation of symbols

100 振動子セル、 100a メンブレン、 101 シリコン基板、 102 第1絶縁膜、 104 第2絶縁膜、 105 保護膜、 107 キャビティ、 109 裏面絶縁膜、 110 下部電極、 111 下部電極配線、 114 下部導電層、 120 上部電極、 121 上部電極配線、 124 上部導電層、 130 エレクトレット層、 131 空隙部、 132 貫通孔 100 vibrator cell, 100a membrane, 101 silicon substrate, 102 first insulating film, 104 second insulating film, 105 protective film, 107 cavity, 109 back surface insulating film, 110 lower electrode, 111 lower electrode wiring, 114 lower conductive layer, 120 upper electrode, 121 upper electrode wiring, 124 upper conductive layer, 130 electret layer, 131 gap, 132 through hole

Claims (9)

第1の電極と、該第1の電極上に空隙部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜に支持された第2の電極とを具備して構成される振動子セルと、
電荷を保持し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に所定の電位差を与えるエレクトレット層と、
を具備した超音波トランスデューサであって、
前記エレクトレット層は、前記振動膜が振動することにより発生する超音波の送信方向から見た場合に、前記振動子セルとは離間した領域に配設され
前記エレクトレット層は、前記第1の電極に電気的に接続された第1の導電層と、該第1の導電層の上方に配設され前記第2の電極に電気的に接続された第2の導電層との間に介装され、
前記第1の導電層と前記第2の導電層との間隔は、前記振動子セルにおける前記空隙部により隔てられた前記第1の電極と前記第2の電極との間隔よりも広い
ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
A vibrator cell comprising: a first electrode; a vibration film disposed on the first electrode with a gap; and a second electrode supported by the vibration film;
An electret layer that retains a charge and provides a predetermined potential difference between the first electrode and the second electrode;
An ultrasonic transducer comprising:
The electret layer is disposed in a region separated from the transducer cell when viewed from the transmission direction of ultrasonic waves generated by the vibration film vibrating ,
The electret layer includes a first conductive layer electrically connected to the first electrode, and a second conductive layer disposed above the first conductive layer and electrically connected to the second electrode. Between the conductive layer and
The distance between the first conductive layer and the second conductive layer is wider than the distance between the first electrode and the second electrode separated by the gap in the transducer cell. > Ultrasonic transducer characterized by that.
記第2の導電層の、前記超音波の送信方向から見た場合に前記エレクトレット層上に重なる領域内には、貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波トランスデューサ。 Before Symbol second conductive layer, wherein the area overlapping the electret layer when viewed from the transmission direction of ultrasonic waves, according to claim 1, characterized in that the through hole is formed super Sonic transducer. 前記エレクトレット層と前記第1の導電層との間、又は前記エレクトレット層と前記第2の導電層との間には、絶縁層が介装されることを特徴とする請求項1又は2に記載の超音波トランスデューサ。   The insulating layer is interposed between the electret layer and the first conductive layer, or between the electret layer and the second conductive layer, according to claim 1 or 2. Ultrasonic transducer. 前記振動子セル上及び前記第2の導電層上に配設された保護膜を具備し、該保護膜の前記第2の導電層上の領域は、前記振動子セル上の領域よりも、前記超音波の送信方向に突出していることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。   A protective film disposed on the transducer cell and on the second conductive layer, wherein the region of the protective film on the second conductive layer is more than the region on the transducer cell; The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer protrudes in an ultrasonic wave transmission direction. 前記振動子セル上及び前記第2の導電層上に配設された保護膜を具備し、該保護膜の前記第2の導電層とは反対側の面は平面状であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。   A protective film is provided on the transducer cell and the second conductive layer, and a surface of the protective film opposite to the second conductive layer is planar. The ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 3. 前記エレクトレット層は、シリコン化合物及びハフニウム酸化物の少なくとも一方からなることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the electret layer is made of at least one of a silicon compound and a hafnium oxide. 前記エレクトレット層は、樹脂膜からなることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the electret layer is made of a resin film. 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を具備することを特徴とする超音波診断装置。An ultrasonic diagnostic apparatus comprising the ultrasonic transducer according to claim 1. 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を具備することを特徴とする超音波顕微鏡。An ultrasonic microscope comprising the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 7.
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