JP5506244B2 - 容量型機械電気変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、容量型超音波変換素子などの容量型機械電気変換素子に関する。

近年、マイクロマシンニング工程を用いて作製される容量型機械電気変換素子が盛んに研究されている。通常の容量型機械電気変換素子は、下部電極と所定の間隔を保って支持された振動膜と該振動膜の表面に配設される上部電極から成るセルを有する。これは、例えば、容量型超音波変換素子（ＣＭＵＴ：Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer）などとして用いられる。

上記変換素子は、軽量の振動膜を用いて電気信号から超音波への変換、或いは超音波から電気信号の変換のうち少なくともいずれか一方を行うものであり、液中及び空気中でも優れた広帯域特性を持つものが容易に得られる。この変換素子を利用すると、従来の医療診断より高精度な診断が可能となるため、有望な技術として注目されつつある。この変換素子の動作原理について説明する。超音波を送信する際には、下部電極と上部電極間に、ＤＣ電圧に微小なＡＣ電圧を重畳した電圧を印加する。これにより、振動膜が振動し超音波が発生する。超音波を受信する際には、振動膜が超音波により変形するので、変形に伴う下部電極と上部電極間の容量変化により信号を検出する。通常の変換素子は、電気的に接続された複数のセルを含むエレメントを複数個配置したものが用いられる。こうした構成では、複数のエレメントの感度がばらつくことがあり、これに対して感度補正を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、各超音波検知素子で変換される出力信号同士の差（感度差）が小さくなる様に制御部で出力信号を電気的に調整する。

上記セルないしエレメントの感度は、例えば、電極間の間隔（ギャップ）の平方に反比例する。よって、電極間のギャップがばらつきを持つ場合は、上記変換素子の感度のばらつきとなる。容量型機械電気変換素子のギャップの形成方法としては、所望の電極間隔と同等の厚さの犠牲層を設けて、該犠牲層の上部に振動膜を形成し、犠牲層を除去してギャップを形成する方法が、一般に採用されている。

特開２００４−１２５５１４号公報

電気的に接続された複数のセルから成るエレメントを複数個配置した変換素子を用いて医療診断を行う場合、複数のエレメントの感度のばらつきは診断精度の低下を招く。よって、エレメント個々に感度の補正が必要である。しかし、特許文献１の様に、後段の回路のゲイン調整により感度補正を行う構成では、回路のダイナミックレンジを広くとる必要がある。更に、一定以上のばらつきがある場合は、補正が不可能となる。

上記課題に鑑み、本発明のＣＭＵＴなどの容量型機械電気変換素子は、第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極とを備えるセルから構成される。更に、本発明の変換素子は、前記空隙の圧力を調整する圧力調整部を有する。

本発明の容量型機械電気変換素子では、セルの空隙の内圧を圧力調整部により調整することができる。従って、例えば、セルを含む構成や、電気的に接続された複数のセルから成るエレメントを複数個配置した構成の静電容量型変換素子で、超音波等の弾性波に対するセル又はエレメントの受信感度の調整、エレメント間の受信感度のばらつきの低減等を行える。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の容量型機械電気変換素子において重要なことは、１つ或いは複数のセル又は素子（エレメント）に対して、空隙の圧力を調整する圧力調整部を設けることである。

上記考え方に基づき、本発明の容量型機械電気変換素子の基本的な実施形態は、次の様な構成を有する。第１の電極（後述の実施形態では下部電極と称する）と、第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極（後述の実施形態では上部電極と称する）を備えるセルから構成され、少なくとも外部からの弾性波の受信を行うことができる。そして、空隙の圧力を調整する圧力調整部を有する。勿論、この容量型機械電気変換素子は、外部に超音波等の弾性波の発信をも行える様に構成されてもよい。受信、発信は背景技術のところで説明した様に行われる。

前記基本的な実施形態を基に、以下に述べる様なより具体的な実施形態が可能である。
複数のセルから構成される素子であるエレメントを複数有し、少なくとも１つのエレメントに対して個々に圧力調整部を設ける形態が可能である（後述の第２の実施形態参照）。圧力調整部は各エレメントに対して１つずつ設けることも可能であるが、複数のエレメントに対して１つの圧力調整部を設けることも可能である。後者の場合、複数のエレメントの空隙を同じ圧力に調整することができる。

圧力調整部は、前記空隙の圧力を調整することで、後述の第１の実施形態の様にセル又はエレメントの受信感度の調整、或いは後述の第２の実施形態の様に複数のエレメントないし素子間の受信感度のばらつきの低減を行うことができる。また、前記セルは、第１の電極である下部電極と、第２の電極である上部電極と、第２の電極が設けられた振動膜と、を備える構成を採ることができる。本発明に用いられる上部電極としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉから選択される金属、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒから選択される合金のうち少なくとも１種を選んで用いることができる。また、上部電極は振動膜の上面、裏面、内部のうち少なくとも一ヶ所に設けるか、もしくは振動膜を導電体又は半導体で形成する場合は振動膜自体が上部電極を兼ねる構造にすることも可能である。また、本発明に用いられる下部電極としては、上部電極と同様の金属を用いることができる。基板がシリコン等の半導体基板を用いている場合、基板が下部電極を兼ねてもよい。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態の容量型機械電気変換素子を図を用いて説明する。図１（a）及び図１（b）に示す様に、容量型機械電気変換素子１００は複数のセル１０２を有する。図１（a）では、素子であるエレメント内に９個のセル１０２を配置しているが、セルの数はこれに限らない。エレメント内に１以上のセルがあればよい。セル１０２は、基板１０３に配設された下部電極１０４と、下部電極と対向し所定の空隙１０５を隔てて配設された上部電極１０６と、上部電極を支持する振動膜１０７と、振動膜を支持する支持部１０８から成る。下部電極１０４は変換素子１００内で共通であり、エレメント内のセル間の上部電極１０６は電極１０９により接続されている。セルの空隙１０５は空隙接続路１１０によって繋がれ（すなわち、連通され）、変換素子１００のエレメント内のセルの空隙の圧力は均一となっている。セルの空隙１０５の形状は図示例では円形であるが、その他の形状でもよい。電極の接続態様も、上記のものに限らない。これらは、仕様に応じて適宜決めればよい。

セルの空隙１０５は基板１０３の貫通孔１１１を介して圧力調整部１１２に繋がっている。圧力調整部１１２は、例えば、公知の一般的なダイヤフラムポンプ、電磁式ポンプ、モーター式ポンプ等の小型ポンプを用いることができる。ダイヤフラムポンプとは、膜を往復運動させることにより流体の吸引及び排出を行うポンプである。電磁式ポンプとは、ダイヤフラムポンプの駆動方式の一種であり、スピーカーのように電磁石を用いて膜を往復運動させるポンプである。モーター式ポンプとは、ダイヤフラムポンプの駆動方式の一種であり、モーターと膜の間をクランク機構で繋ぐことにより膜を往復運動させるポンプである。こうしたポンプにより、圧力調整部１１２はセルの空隙の内圧を調整する。

シミュレーションにより、セルの空隙の圧力と容量型機械電気変換素子の受信感度の関係を計算した結果を図１（ｃ）示す。図１（c）では、横軸は空隙の圧力を示し、縦軸は、圧力０.００２気圧の受信感度を１（デシベルで表せば０）とした時の相対受信感度を示している。シミュレーションでは、最初に有限要素法を用いてセルの空隙内部の圧力と外部の大気圧との差圧による振動膜の初期変位を計算した。次に、振動膜に入射された超音波の単位音圧に対して発生する電気信号の大きさを等価回路モデルを用いて計算した。等価回路モデルとは、セルの空隙内部の気体及び振動膜の機械特性（弾性及び粘性、質量）を電気回路素子（コンデンサ及び抵抗、コイル）とみなすことにより、セルの機械特性及び電気特性を１つの回路方程式で表現したモデルである（Ｏｌｉｖｅｒ Ａｈｒｅｎｓ ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ，ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ，ＡＮＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＮＴＲＯＬ，ＶＯＬ．４９，ＮＯ．９，ＰＰ．１３２１−１３２９，２００２．及び、Ｖｅｉｊｏｌａ，Ｈｅｌｓｉｎｋｉ Ｕｎｉｖ．Ｔｅｃｈ，Ｃｕｒｃｕｉｔ Ｔｈｅｏｒｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｒｅｐｏｒｔ Ｓｅｒｉｅｓ，ＣＴ−３９，１９９９．参照）。また、有限要素法を用いた計算は市販のソフトウェア（ＡＮＳＹＳ１１．０ ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．）を用いて行った。図１（c）に示す様に、空隙の圧力が上昇すると受信感度が低下し、空隙の圧力が減少すると受信感度が上昇する。変換素子１００は、所望の受信感度になる様に圧力調整部１１２により空隙１０５の圧力を調整する。

図１（c）に示す様に、空隙の圧力が０．１気圧（１０．１３２５ｋＰａ）以下の領域においては、０．００２気圧（０．２０２６５ｋＰａ）の際の受信感度に対する感度の低下が５％以内に収まっている。よって、受信感度の低下を５％以内に抑えたい場合は０．１気圧以下に空隙の内圧を調整可能な圧力調整部を用いるのが好ましい。

振動膜１０７の上部の気圧が変化することにより受信感度が変化することもある。この場合も、圧力調整部１１２で空隙の内圧を調整することにより、振動膜の上部の気圧に係わりなく所望の受信感度を維持することができる。本実施形態の変換素子１００により、エレメント間の内圧のばらつきの低減、変換素子の経年変化などにより変化した内圧の補正などの目的に応じて、受信感度を任意に調整できる容量型機械電気変換素子を実現することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の容量型機械電気変換素子を説明する。本実施形態の変換素子の基本構造図である図２に示す様に、エレメント１０１は複数のセル１０２を有し、容量型機械電気変換素子１００は複数のエレメントから成る。図２では、エレメント内に９個のセル１０２を配置し、変換素子１００に９個のエレメント１０１を配置しているが、数はこれらに限らない。また、９個のエレメント１０１を２次元に配置しているが、例えば、複数のエレメントを１次元に配列してもよい。本実施形態のエレメント１０１のＡ−Ａ断面も、第１の実施形態の図１（b）と同様である。

複数のエレメントを持つ変換素子を用いて個々の受信信号から音波源の特徴を解析する場合、各エレメントの受信感度が揃っていることが望ましい。しかしながら、変換素子のエレメントは、その作製工程で生じる誤差等によって個々に受信感度がばらつくことがある。よって、本実施形態の変換素子１００は、予め測定した受信感度に応じて、各エレメントが個々に有する圧力調整部によりセルの空隙の内圧を調整できる様になっている。これにより、複数のエレメント１０１の感度のばらつきを低減することができる。

例えば、作製工程で空隙の内圧を０.００１気圧で作製し、９個のエレメントの内の１つのエレメントの受信感度が１ｄＢ高かった場合を考える。その場合は、そのエレメントのセルの空隙の内圧を０.３気圧にすることにより、図１（c）に示す様にこのエレメントの受信感度を概ね１ｄＢ下げることができ、エレメント間の受信感度のばらつきを低減できる。この様に、各エレメントの受信特性に応じて、各エレメントの空隙の内圧を加圧或いは減圧することで、複数のエレメントの感度のばらつきを低減できる。

例えば、受信感度の調整を次の様に行うこともできる。変換素子のエレメントと調整装置の超音波送波素子とを対向させて配置し、変換素子のエレメントを受波可能な状態とするとともに、該エレメントの圧力調整部を調整装置と接続する。調整装置は該エレメントから信号を受ける様にもしておく。調整作業を開始すると、超音波送波素子から所定の超音波を送波させる。この超音波は変換素子のエレメントで受波され、調整装置は該エレメントから信号を受ける。調整装置は、この信号の強度が所定値（エレメントが所定の受信感度を持つときに信号強度が有するべき値）に一致するか否かを調べる。そして、一致しない場合は、圧力調整部を制御してエレメントの内圧を変化させ、信号強度と所定値が一致するまで圧力調整部をフィードバック制御する。こうした制御を各エレメントに対して行う。

本実施形態の変換素子１００により、複数のエレメントを持つ変換素子の各エレメントの感度のばらつきが少なくなり、例えば、音波源の特徴の解析に適した容量型機械電気変換素子を実現することができる。

本発明に係る第１の実施形態の容量型機械電気変換素子の基本構造とセルの空隙の内圧と容量型機械電気変換素子の感度の関係を説明する図。 本発明に係る第２の実施形態の容量型機械電気変換素子の基本構造の図。

１００ 容量型機械電気変換素子
１０１ エレメント（素子）
１０２ セル
１０３ 基板
１０４ 下部電極（第１の電極）
１０５ 空隙
１０６ 上部電極（第２の電極）
１１２ 圧力調整部

Claims (6)

1. 第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、を備えるセルを１つ以上有する素子を備える容量型機械電気変換素子であって、
   前記空隙内の圧力を調整する圧力調整部を有することを特徴とする容量型機械電気変換素子。
2. 複数の前記素子を有し、前記圧力調整部は素子毎に前記空隙内の圧力を調整できるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量型機械電気変換素子。
3. 前記圧力調整部は、前記空隙の圧力を調整することで、前記素子の受信感度の調整、或いは複数の前記素子間の受信感度のばらつきの低減を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の容量型機械電気変換素子。
4. 前記第１の電極は基板上に形成されており、
   前記空隙と前記圧力調整部が前記基板の貫通孔を介して繋がっていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の容量型機械電気変換素子。
5. 前記圧力調整部は、ポンプを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の容量型機械電気変換素子。
6. 第１の電極と、前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、を備えるセルを夫々有する複数の素子の感度調整方法であって、
   圧力調整部によって前記複数の素子毎に空隙内の圧力を調整することにより、前記複数の素子間の受信感度ばらつきの低減を行うことを特徴とする感度調整方法。

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