JP4981847B2 - 静電容量型超音波振動子および積層型静電容量型超音波振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波振動子とその製造方法、体腔内に挿入される挿入部の先端部に静電容量型超音波振動子を設けた静電容量型超音波プローブに関する。

体腔内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して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機材の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波振動子（超音波トランスデューサとも呼ばれる）が取り付けてあり、このトランスデューサは電気信号を超音波に変換し体腔内へ照射したり、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換したりするものである。

従来、超音波振動子では、電気信号を超音波に変換させる圧電素子として、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきたが、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波振動子（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（ｃ−ＭＵＴと呼ばれる））が注目を集めている。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ、超小型電気的・機械的複合体）と総称される素子の１つである。

ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成されており、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を駆動する駆動機構と、駆動機構を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。

さて、静電容量型超音波振動子（ｃ−ＭＵＴ）は、２つの平面状の電極が向かい立った素子であり、その間には空洞（キャビティ）があり、ＤＣバイアスに重畳したＡＣ信号を送ると、そのうちの一方の電極を含んだ層（メンブレン）が調和的に振動して、超音波を発生させるものである。

例えば、先行技術（Ｙｏｎｇｌｉ Ｈｕａｎｇ、外４名、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ Ｗｉｔｈ Ｗａｆｅｒ−Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＳＹＳＴＥＭＳ、２００３年４月、ＶＯＬ．１２、ＮＯ．２、ｐ．１２８−ｐ．１３７）には、ウェーハ接合技術を用いて、ｃ−ＭＵＴを製造する方法が開示されている。この先行例では、メンブレンとキャビティをそれぞれ、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハ上とプライムウェーハ上に形成し、真空中でのシリコンダイレクトボンディング技術を用いて、それらのウェーハを接合させて、トランスデューサを製造している。

静電容量型超音波振動子の超音波送信圧力Ｐは、
Ｐ＝−εｒ×８．８５４ｅ−１２×Ｗ２／ｄ２×Ｖ２（εｒ：電極間材料の誘電率、Ｗ２：電極面積、ｄ：電極間距離、Ｖ：印加電圧）で表される。また、中心周波数ｆｃは、
ｆｃ＝（π／２）×（ｔｍ／Ｗ２）（Ｅ／１２ρ）１／２（ｔｍ：メンブレンの厚さ、Ｅ：ヤング率、ρ：密度）で表される。したがって、電極面積Ｗ２を大きくすることは、超音波送信音圧を大きくするものの同時に中心周波数の低下を引き起こすので、高い周波数領域で高い音圧を得ることが極めて難しかった。

また、従来、静電容量型超音波振動子の製造は、経済面で容易ではなかった。また、静電容量型超音波振動子を超音波内視鏡に利用する場合、生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスをもった超音波を体腔内に照射する必要がある。

近年、超音波振動子は、音響的な診断に広く利用されるようになり、この超音波振動子には、通常、圧電現象を利用した圧電素子が用いられるが、最近、上述した静電容量型の超音波振動子が提案されている。

例えば特表２００４−５０３３１２号公報には、静電容量型超音波振動子の原理的な構成例が開示されている。静電容量型超音波振動子は、感度が低いため、より高感度にできることが望まれる。

このため、米国特許６，５５８，３３０号公報には、具体的な構造、つまり積層構造にした静電容量型の超音波振動子を開示している。

しかしながら、この米国特許６，５５８，３３０号公報の従来例では、積層構造を示してはいるが、この構造のみでは高感度の超音波振動子を実現できない欠点がある。

一方、近年、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断は、従来のＢモード診断では得られない鮮明な診断像が得られることから、標準的な診断モダリティとなりつつある。

ハーモニックイメージング診断法は、（１）超音波が生体中を伝播する時に、生体組織の非線形性の影響を受け基本波超音波に重畳する高調波を種々の方法で分離し、この信号を用いて画像化するティッシューハーモニックイメージング法と、（２）体内に造影剤バブルを注入し、送信超音波の照射によってバブルが破裂又は共振する時に発生する高調波を受信し、基本波超音波に重畳した高調波を種々の方法で分離し、この信号を用いて画像化するコントラストハーモニックイメージング法に分類される。

これらはいずれも、従来のＢモード断層像では得られないほどＳ／Ｎが良く、分解能の良好な診断画像が得られることが分かり、医療診断の診断精度の向上に寄与している。

従来の体外用のハーモニックイメージング診断装置に用いられている超音波振動子は、基本波送信も高調波受信も、例えば同一の送受信兼用の超音波振動子が用いられてきた。なお、生体組織から反射される超音波パルスのエコーを送信用とは別体に設けた超音波振動子で受信する構成も可能である。

高調波信号の信号レベルが基本波に比べはるかに小さいので、ハーモニック画像の劣化に関わる基本波成分を効率よく除去する必要がある。そのために、周知の高調波成分（特に第２高調波成分）抽出技術が利用されている。

超音波振動子としては、従来の圧電タイプの超音波振動子のほかに、シリコン半導体基板をシリコンマイクロマシン技術を用いて加工した、上述した静電容量型の超音波振動子が注目されている。

静電容量型超音波振動子では、一般に超音波を発生させるため高周波パルス信号だけでなくて直流バイアス電圧が送信時，受信時ともに必要とされている。つまり、高周波パルス信号に直流バイアス電圧を重畳させた信号を生成して静電容量型超音波振動子に印加し、それによって超音波を送受信することになる。

ところで、従来提案されている静電容量型超音波振動子は、メンブレン厚さが極薄のため、キャビティーの音響インピーダンスを反映して、空中超音波用に適している。しかし生体の音響インピーダンスに適合しているとは言えなかった。

例えば、上記特表２００４−５０３３１２号公報には、体外用を目的とした静電容量型の超音波プローブ装置が開示されている。

上記特表２００４−５０３３１２号公報の従来例は、体外用を目的とした静電容量型の超音波プローブ装置であり、そのため体内用には適用できない欠点があった。

一方、静電容量型超音波振動子には、次のような問題がある。第１に、直流バイアス電圧及び高周波パルス信号としてはそれぞれ、比較的高電圧（例えば１００Ｖ）を常時かけることになるので、駆動実効電圧が大きくなること、第２に、体腔内に挿入するタイプを考える場合、体外用とは異なり、外形寸法に制約があり、小型化することが必要となること、第３に、圧電型の超音波振動子に比較し、送信感度が低く、超音波の深達度が低く、診断領域が狭まり、高調波が発生しにくくなり、静電容量型超音波振動子の特徴である広帯域性を利用出来ないことである。

ハーモニックイメージング技術を使うには、広帯域特性を持った超音波振動子が必要となるが、静電容量型超音波振動子は広帯域特性を持つため、ハーモニックイメージング診断に適している。

また、従来の静電容量型超音波振動子の場合には、超音波ビームの強度が小さいため、多数の静電容量型超音波振動子エレメントを用い、これらにより送信する超音波ビームを電子的に集束することが行われる。

このため、多数の静電容量型超音波振動子エレメントを採用すると、それらに対してそれぞれ適切な時間遅延を与えることが必要となり、それを実現する遅延回路或いは遅延線が大きなものになってしまう欠点がある。

上記の課題に鑑み、本発明の第１の目的は、高い周波数領域で高い音圧を得ることができる静電容量型超音波振動子を提供する。また、第２の目的は、簡単な製法により製造できる静電容量型超音波振動子を提供する。また更に、第３の目的は、メンブレンを薄くしたり、メンブレン材料として生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを持たせたりした樹脂膜を用いた静電容量型超音波振動子を提供する。

本発明の第４の目的は、より高感度を有する静電容量型超音波振動子とその製造方法を提供する。

本発明の第５の目的は、静電容量型超音波振動子を用いて、生体との音響整合が効率的に実現でき、駆動実効電圧が低く、体腔内で使用でき、加工・組み立てが容易であり、耐薬品性が確保でき、同軸ケーブルによるロスを低減でき、ハーモニックイメージング診断に利用可能な静電容量型超音波プローブを提供する。

本発明の第６の目的は、簡単な構成で送信される超音波ビームの強度を大きくでき、Ｓ／Ｎの良い超音波受信信号を得ることができる静電容量型超音波プローブを提供する。

本発明による静電容量型超音波振動子は、基板と、前記基板上に形成した電極と、前記電極上に空隙層を隔てて構成されるメンブレンと、前記電極と前記メンブレンとを、空隙層を介して隔てて構成するためのメンブレン支持部と、前記メンブレン上に形成した電極とからなる静電容量型超音波振動子セルを、前記基板に沿って二次元に配列すると同時に、前記基板に対して垂直方向にも積層配置した構造を有し、前記静電容量型超音波振動子セルの前記メンブレン支持部が、１層下の空隙層の中心部に位置する積層構造を有し、各層のメンブレン上に形成した電極が一層おきに同電位になるように接続され、前記接続によって形成された一対の端子間に駆動用ＲＦ信号とＤＣバイアス信号を重畳した駆動電圧が印加される端子を形成したものである。

本発明による静電容量型超音波振動子の製造方法は、半導体基板の上面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の上面に第１の電極層を形成する第１のステップと、前記第１の電極層の上面に、空洞部形成用の犠牲層を形成する第２のステップと、前記犠牲層の上に、空洞部の形成する部分に対応したマスクを２次元的に配列させるように形成する第３のステップと、前記マスクを施されていない部分を除去して前記第１の電極層に届く凹部を形成する第４のステップと、前記マスクを除去する第４のステップと、前記凹部および前記犠牲層を覆う膜を形成する第５のステップと、前記膜を貫通し、前記犠牲層に届く孔を形成する第６のステップと、前記孔を通じて前記犠牲層を除去する第７のステップと、前記膜の上面にメンブレン層を形成する第８のステップと、前記メンブレン層の上面に第２の電極層を形成する第９のステップと、前記第２の電極層の上に前記第２のステップから第９のステップを２回以上繰り返す第１０のステップと、を含み、２回目以降の前記第３のステップにおいて、マスクを形成する場合に、前記マスクの中央位置を直下層の２つのマスクの間の位置となるようにずらして形成し、各層のメンブレン上に形成した電極が一層おきに同電位になるように接続され、前記接続によって形成された一対の端子間に駆動用ＲＦ信号とＤＣバイアス信号を重畳した駆動電圧が印加される端子を形成したものである。

本発明の第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の基本構造を示す図。 図１Ａの破線で囲まれた部分の拡大図。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の接合前の状態を示す図。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の接合状態を示す図。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の基板除去した状態を示す図。 図２Ａの破線部分の拡大図。 本発明の第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の樹脂製キャビティ形成用基板を示す図。 第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の犠牲層付与状態を示す図。 第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の絶縁層付与状態を示す図。 第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の上部電極層付与状態を示す図。 第２の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の犠牲層除去状態を示す図。 本発明の第３の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の接合前を示す図。 第３の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程の接合状態を示す図。 本発明の第４の実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイを備えた超音波診断装置の電気系の全体構成を示すブロック図。 図６におけるＲＦ信号発生回路により発生されるＲＦ信号を示す図。 図６における送信ビームフォーマにより生成されるＲＦ信号を示す図。 本発明の第４の実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイの構造を示す平面図。 駆動しない時の積層型静電容量型超音波振動子エレメントの構造の一部を示す断面図。 駆動時における積層型静電容量型超音波振動子エレメントの構造の一部を示す断面図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントを送受信に兼用した場合の概略構成図。 図１１の変形例を示す構成図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントを送信専用及び受信専用で使用する場合の概略構成図。 パルスインバージョンの方式でティッシュハーモニックイメージングを行う場合の代表的な波形例であって、ＤＣバイアスパルス制御信号及びパルスインバージョン用の超音波振動子エレメント駆動信号を示す図。 パルスインバージョンの原理図であって、送信時における駆動信号を示す波形図。 パルスインバージョンの原理図であって、受信時に基本波成分を除去して高調波成分を得る動作原理を説明する波形図。 ＤＣバイアス電圧の立ち下がり及び立ち上がり部分を変えた波形例を示す図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントの１層目の積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示す図。 ２層目までの積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示す図。 ４層目までの積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示す図。 図１９のＡ−Ａ′線断面図。 図２０の変形例の構成例を示す断面図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合の絶縁層形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合の下部電極形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合の犠牲層形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合のマスク形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合のメンブレン支持部形成用の凹部形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合のマスク除去工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合のメンブレン膜となる膜形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合の上記膜から犠牲層に届く孔形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合のメンブレン層及び上部電極の形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の上記上部電極の上に犠牲層を形成する工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の上記犠牲層の上にマスクを形成する工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の凹部形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合のマスク除去工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合のメンブレン層となる膜形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の上記膜から犠牲層に届く孔形成工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の犠牲層除去工程の説明図。 積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合のメンブレン層及び上部電極の形成工程の説明図。 本発明の第５の実施形態の静電容量型超音波プローブ装置における静電容量型超音波プローブを示す図。 図２４の静電容量型超音波プローブ先端部を拡大して示す図。 図２５における静電容量型超音波振動子の一部分の断面図。 本発明の第５の実施形態の特徴的な構造を立体的に示す斜視図。 図２７の特徴的な構造の上に下部，上部電極及びメンブレンを形成した側断面図。 図２８の変形例を示す側断面図。 本発明の第６の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図。 本発明の第７の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図。 図３１における凹凸のポリイミドのシートの平面図。 本発明の第８の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図。 本発明の第８の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける、ヘルムホルツのキャビティを備えた静電容量型超音波振動子の側断面図。 本発明の第９の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図。 図３５の静電容量型超音波振動子アレイの一部を拡大して示す側断面図。 本発明の第１０の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子セルの側断面図。 本発明の第１１の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブを備えた超音波診断装置の構成を示す全体図。 本発明の第１１の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブの先端側の構造を一部切り欠いて示す斜視図。 静電容量型超音波振動子エレメントの構造を示す断面図。 図４０の底面側から見たメンブレン等の形状を示す図。 静電容量型超音波振動子エレメントを駆動する電気系の構成を示すブロック図。 変形例における静電容量型超音波振動子アレイを駆動する電気系の構成を示すブロック図。 本発明の第１２の実施形態における静電容量型超音波振動子エレメントの製造工程の接合前の説明図。 第１２の実施形態における静電容量型超音波振動子エレメントの製造工程の接合後の説明図。 第１２の実施形態における静電容量型超音波振動子エレメントの製造工程の球面状にする説明図。 第１変形例における静電容量型超音波振動子エレメントの下部電極及びフォトレジストの製造工程の説明図。 第１変形例における静電容量型超音波振動子エレメントの空隙部の製造工程の説明図。 第１変形例における静電容量型超音波振動子エレメントのフォトレジスト除去の製造工程の説明図。 第１変形例における静電容量型超音波振動子エレメントの上部電極付きメンブレンを接合する製造工程の説明図。 第２変形例における静電容量型超音波振動子エレメントの渦巻き状の振動子本体エレメントの製造工程の説明図。 第２変形例における図４６ＡのＡ−Ａ線断面図。 第２変形例における図４６Ａの振動子本体エレメントを球面状に変形加工する製造工程の説明図。 第２変形例における球面に沿って渦巻き状に配置された静電容量型超音波振動子エレメントを製造する製造工程の説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態における静電容量型超音波振動子（ｃ−ＭＵＴ）１の基本構造を示す。図１Ａは、静電容量型超音波振動子の全体断面図を示す。この図１Ａに示す静電容量型超音波振動子の単位をエレメントという。静電容量型超音波振動子には、シリコン基板２の表面に複数の凹部がある。この１単位をセル１０という。各セル１０に蓋をするようにメンブレン９がシリコン基板２の上面に被さっている。メンブレン９は、上部電極７と後述する高誘電率酸化物層８とからなる薄膜（高誘電率膜）である。

また、シリコン基板２の背面には、絶縁膜３が設けられている。この絶縁膜３の一部には背面電極パッド（コンタクトパッド）４が設けられている。シリコン基板２の両端には、インターコネクトビアホール６がある。各インターコネクトビアホールの一方の端（シリコン基板の背面側）にはコンタクトパッド５が設けられている。

図１Ｂは、図１Ａの破線で囲まれた部分（セル）１０を拡大したものである。セル１０は、各セル１０の両端にあるメンブレン支持部１１によりメンブレン９を支持している。また、メンブレン支持部１１間におけるシリコン基板２の表面（凹部の底部分）には下部電極１２が配設されている。そして、キャビティ（空洞部）１３は、メンブレン９とメンブレン支持部１１と下部電極１２とで囲まれた空間からなる。

静電容量型超音波振動子１の動作について説明すると、上部電極７と下部電極１２の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を０にすると元に戻る。この振動動作によって超音波が発生し、上部電極の上方向に超音波が照射される。

それでは、以下では、静電容量型超音波振動子１の製造工程について説明する。

図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程を示す。まず、図２Ａを見てみよう。本実施形態において、上部電極７と高誘電率酸化物層８とシリコン層２１とで表されるものを上部ユニットＡといい、シリコン基板２等で表されるものを下部ユニットＢという。図２Ａは、上部ユニットＡと下部ユニットＢの接合前のそれぞれの状態を示す。

下部ユニットＢについて説明する。まず、シリコン基板２の表面をエッチング処理により複数の凹部を形成する。この凹部はメンブレン支持部１１により仕切られた構造となる。この凹部の底に下部電極１２を配設する。インターコネクトビアホール６は、シリコン基板２の表面から裏面にかけてシリコン基板を貫通させて設けた導電チャネルである。なお、メンブレン支持部は、ＳｉＯ２、ＳｉＮの絶縁部材を成膜することによっても得られる。

シリコン基板２の表面側の両端の凸部分は絶縁膜２２で覆われている。インターコネクトビアホール６の一端（シリコン基板２の表面側）には、後に上部電極７と接合させるためのバンプパッド（例えば、はんだボール等）２０がついている。また、インターコネクトビアホール６の他端（シリコン基板２の背面側）には、コンタクトパッド５が設けられている。コンタクトパッド５は、後述するように上部電極７をシリコン基板２に接合させた場合に、上部電極７についてのシリコン基板２の背面側の端子となる。

シリコン基板２の背面には絶縁膜（例えば、ＳｉＯ２）３が形成されており、その一部にはコンタクトパッド４が設けられている。このコンタクトパッド４は、下部電極１２に対する接触端子であり、シリコン基板２は抵抗値が小さいシリコン材料を用いているので、このコンタクトパッド４を通して、下部電極１２と導通することができる。

絶縁膜３は、コンタクトパッド４とコンタクトパッド５とを絶縁するためのものである。そして、接合後には、コンタクトパッド４とコンタクトパッド５とを通して、それぞれ上部電極７と下部電極１２とにシリコン基板２の背面側から電圧をかけることができる。このようにすることで、上部電極７はエレメント毎にインターコネクトビアホール６を経て、パッド電極へ導かれているが、抵抗の小さなシリコン基板２とは絶縁される。一方、下部電極１２とコンタクトパッドとは、抵抗の小さなシリコン基板２を通して導通しているので、両コンタクトパッドは絶縁されていることになり、信号が短絡することは起きない。

次に、上部ユニットＡについて説明する。上部ユニットＡは、複数の層からなっており、図２Ａの破線で囲んだ積層部分の拡大図を図３に示す。

図３は、図２Ａの破線部分の拡大図である。本実施形態において、上部ユニットＡはシリコン層２１と、メンブレン９（上部電極７の層と、高誘電率酸化物層８）とから構成される。

シリコン層２１は、製造工程において、シリコン基板２にメンブレン９を接合するまでこのメンブレン９を支持するためのものである。なぜなら、メンブレン９は数ミクロンオーダーであるから、製造工程において、そのようなメンブレンを取り扱いやすくするための基板である。

上部電極７は、上述の通り、下部電極１２と対になり、上部電極７と下部電極１２の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を０に戻すと元に戻る。この振動動作によって超音波が発生し、上部電極の上方向に超音波が照射される。上部電極７の材料としては、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｕ／（Ｎｉ−Ｃｒ）のいずれかを用いる。

高誘電率酸化物層８は、上部電極７と下部電極１２と間に働く静電引力を向上させるために形成された層である。上部電極７と下部電極１２と印加する電圧を制御することで上部電極７を含むメンブレンが振動し、超音波を発生させる。よって、上部電極７と下部電極１２の間に働く静電引力が強いほど、より振動は強くなる。そこで、この静電引力を強めることについて検討する。以下の式は、上部電極７と下部電極１２との間に働く静電引力Ｆａｔｔを表す。

Ｆａｔｔ＝−（１／２）×εｒ×（Ｗ２／ｄ２）×Ｖ２（εｒ：比誘電率、Ｗ２：電極の面積、ｄ：電極間距離、Ｖ：電圧）この式より、ｄ、Ｗ２、Ｖが一定であるならば、比誘電率が高いほど、電極間に働く静電引力Ｆａｔｔは大きくなることが分かる。よって、上部電極７と下部電極１２との間に比誘電率の大きい物質を介在させることで、静電引力Ｆａｔｔを大きくすることができ、その役割を担うのがまさに高誘電率酸化物層８である。

よって、高誘電率酸化物層８には、比誘電率の高い材料を用いる。そこで、本実施形態において、高誘電率酸化物層８として、例えば、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３（εｒ：１２００）、チタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ３（εｒ：３３２）、チタン酸バリウム・ストロンチウム（εｒ：バリウムとストロンチウムのイオン比率に応じてチタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの中間的な値を示す）、五酸化タンタル（εｒ：２７）、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル（εｒ：２７）、酸化アルミニウム、または酸化チタンＴｉＯ２（εｒ：１００）、酸化タンタルＴａ２Ｏ３等の高誘電率を有する材料を用いる。

この上部ユニットＡは、まず、シリコン基板２１の表面に電極膜（上部電極７）を付着（蒸着）させ、その上に高誘電率酸化物層８を形成する。

次に、図２Ｂを見てみよう。この図２Ｂは、図２Ａにおいて、上部ユニットＡと下部ユニットＢとを接合させる工程である。上記で製造した上部ユニットＡの高誘電率酸化物層８側の面と下部ユニットの表面側の面とを合わせて熱を加えると、インターコネクトビアホール６と上部電極７とがバンプパッド２０で溶接される。

次に、図２Ｃを見てみよう。この図２Ｃの状態は、シリコン基板２１をエッチング処理により除去した状態を示している。シリコン基板２１は、例えばアルカリ性のエッチング液（例えば、ＫＯＨ）を用いてエッチング処理を施すことによりメンブレン９からシリコン基板２１を除去することができる。なお、エッチング処理は、これ以外に限定されず、例えば、その他の一般的に用いられているエッチング処理でも良い。また、シリコン基板２１を全てにわたってはエッチングせず、一部の厚さの分を残しておいてもよい。

なお、シリコン基板２１と上部電極７との間に予めＳｉＯ２の膜を形成しても良い。エッチングがこの膜まで進んだ時点で停止する。シリコン基板２１でのエッチングの進み方にバラツキがあっても最終的に均一な膜厚のメンブレンが実現できる。ただし、このＳｉＯ２の膜はメンブレン９に付着したまま残り、上部電極７、高誘電率膜８に対する機械的、化学的補強の役割を果たす。また、上部電極７に、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｕ／Ｎｉ、またはＡｕ／（Ｎｉ−Ｃｒ）を用いるのは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）に対する密着性を確保するためである。Ａｕは直接ＳｉＯ２膜に形成しにくく、バッファー層としてＴｉ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｒが使われる。

さて、上述の高誘電率酸化物層８の形成方法について詳述する。高誘電率酸化物層８は、ゾル−ゲル法により形成される。ゾル−ゲル法とは、金属の有機化合物の溶液から出発し、溶液を基板へ塗布し、この塗布膜を加水分解することによって金属酸化物または水酸化物の微粒子が分散したゾルとし、さらに反応を進ませてゲル化し、加熱して非晶質、ガラス、多結晶体を作る方法である。

本実施形態では、ゾル−ゲル法で形成した酸化膜を還元・再酸化して、さらに誘電率を向上させる。この還元・再酸化工程によって見かけの誘電率を増加させる技術は、例えば境界層（ＢＬ：Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｌａｙｅｒ）コンデンサの製造技術として利用されている。

それでは、以下にゾル−ゲル法による高誘電率酸化物層８の形成方法を説明する。

Ｓ１：Ｓｉ基板２１の上に上部電極７の膜の層を形成する。

Ｓ２：その上部電極７の膜の上に、タンタル、チタン、またはバリウムの金属アルコキシドを含むゾル−ゲル前駆液を塗布する。

Ｓ３：加水分解によってそのゾル−ゲル前駆液を金属の酸化物あるいは、水酸化物の微粒子が溶解したゾルとし、さらに反応を進ませてゲル化して出来た非晶質膜を加熱して結晶体を形成する。このとき、加水分解には、種々の方法があり、Ｈ２Ｏのみで起こる場合も、さらに加水分解が徐々に進行するようにする添加剤を加える場合も、ｐＨ調製のための添加剤を加える等の場合があり、状況に応じて添加剤を使用する。なお、この中間段階で生成するゾルはナノスケールの微粒子である。したがって、この工程でゲル化してできた膜はナノ粒子膜である。

Ｓ４：上記で形成したナノ粒子膜を還元する。ここでの還元処理は、脱酸素気流下にそのナノ粒子膜を所定時間（例えば、８００度では約１０分間）さらす。なお、酸素分圧の低い気体中や真空中に所定時間放置してもよい。

Ｓ５：次に、再び酸化を行う。ここでの酸化は、空気中等の酸素含有気流下にＳ４で還元されたナノ粒子膜を所定時間さらす。そうすると、上部電極７上にナノオーダーの粒子からなる高誘電率酸化物層８を形成することができる。

このようにすることにより、高誘電率酸化物層を形成することで、電極間に働く静電引力が増加することで、超音波送信音圧を大きくすることができる。また、このとき、中心周波数の低下を引き起こすことはない。したがって、高周波数領域で高音圧を得ることができる。なお、下部電極側に高誘電率物質層を形成してもよい。このようにしても、静電引力を高めることができる。なお、メンブレンは高誘電率物質層、上部電極を含む複数の層（例えば、さらに複数の高誘電率物質層を成膜する等）から構成されていても良い。

また、キャビティに所定の空間ができる範囲で、キャビティを高誘電率酸化物で埋めてもよい。なぜなら、メンブレンの振動は屈曲振動であり、静電引力が働くと、キャビティ側に屈曲変形するので、この変形が自由に出来る空間が必要であるからである。なお、後述するように、本実施形態では、犠牲層工程がないので、コストダウンを図ることもできる。

＜第２の実施形態＞
本実施形態では、樹脂製キャビティ形成用基板を用いて静電容量型超音波振動子を製造する方法の一例について説明する。なお、以下でキャビティとは、上部電極と下部電極との間の空間をいい、必ずしも空洞である必要はない。また、最終製造時にキャビティとなる前の工程（中間段階）で生成する凹部、または孔もキャビティという。

図４Ａ〜図４Ｅは、本実施形態における製造工程を示す図である。まず、シリコン基板２９の表面に電極３１を形成する。次に、このシリコン基板２９上において、電極３１が配設されていない部分に支持部２８を形成する（シリコン基板２９、支持部２８、及び電極３１からなる基板を以下では樹脂製キャビティ形成用基板３０という）（図４Ａ参照）。支持部２８には、ＳｉＮ，ＳｉＯ２などの絶縁材料を用いる。

支持部２８の形成の結果、形成された凹部に犠牲層３２を形成する（図４Ｂ参照）。犠牲層３２の材料としては、例えば、フォトレジスト材料を用いる。フォトレジスト材料は、半導体基板上に回路パターンを描く際に、基板上に塗布する感光性耐蝕被膜材料である。ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイスを製作する際の微細加工は、フォトレジスト材料を保護被膜とするフォトリゾグラフィーによって行われることが多い。

フォトレジスト材料にはポジ型とネガ型があり、ポジ型では露光された部分のレジストがネガ型では露光されなかった部分がそれぞれ現像液で溶解除去され、基板上に回路パターンが残るというものである。このフォトレジスト材料として、例えば、「ＴｒｉｓＰ−ＰＡ−ＭＦ」（本州化学工業社製）や「ＡＺ ６１００ ｓｅｒｉｅｓ」（クラリアントジャパン社製）がある。

このようなフォトレジスト材料によって樹脂製キャビティ形成用基板３０の凹部は充填されている。このような犠牲層を形成するのは、後述する工程において、当該樹脂製キャビティ形成用基板３０の表面（凹部側）にメンブレンとなる絶縁層を接合させるが、このときに、絶縁層のうち凹部の部分に位置する部分にへこみやしわが入らないようにするためである。

次に、樹脂製キャビティ形成用基板３０の表面（凹部側）にメンブレンを形成する層の１つである絶縁層３３を接合させる（図４Ｃ参照）。この絶縁層３３の材料としては、例えば、ポリイミド（例えば、「半導体表面保護膜・層間絶縁膜用ポジ型感光性耐熱ポリイミドコーティング剤“フォトニース”ＰＷ−１０００」）等の高分子有機材料を用いる。

接合は、超音波接合技術を用いて行う。樹脂に超音波を照射して振動エネルギーを接合部に集中させると、振動エネルギーは摩擦熱に変換されて樹脂を溶かし、それにより樹脂製キャビティ形成用基板３０と樹脂製絶縁層３３とが接合する。この方法は、また接着材等の消耗品を全く必要としないという利点がある。なお、接着剤を用いて接合してもよい。

次に、絶縁層３３の表面に上部電極層３４を付与する（図４Ｄ参照）。上部電極層３４の材料としては、例えば、Ａｕ／Ｃｒを用い、これを絶縁層３３の表面に蒸着させる。

最後に、上部電極３４及び絶縁層３３に孔３５（犠牲層除去孔）をあけ、アセトン等の溶媒に浸すと、その孔からアセトンが侵入し、フォトレジストを溶解させ、溶解したフォトレジストはその孔から出て行くと、犠牲層が除去されてキャビティ（空洞）が形成される（図４Ｅ参照）。

なお、メンブレンは絶縁層３３、電極３４を含む複数の層（例えば、さらに複数の絶縁層を成膜する等）から構成されていても良い。

本実施形態は、以下のような利点がある。絶縁層の材質として、生体との音響整合を良くするには、音響インピーダンスの大きなＴｉＯ２、ＳｉＮｘより、ポリイミドの様な音響インピーダンスが比較的生体に近い材料の方が好ましい。この場合の膜厚は数十μｍであり、フィルムを接合する方法ではメンブレンとなる部分にシワが入ってしまう。従って、凹部に例えば、容易に溶剤に溶けるレジスト材料を埋め込み、ついで表面を面一となるように研磨等の手段で平滑化処理を行い、その上からポリイミド、シリコーン、パリレン、ウレタンの様な樹脂膜を蒸着、スピンコートやスプレー塗布によって形成し、そのあと、犠牲層材であるレジスト材料を犠牲層除去孔を通して除去する。このようにして形成したメンブレン膜は、シワがなく、音響インピーダンスも生体のそれに近い値をとり、生体との音響整合が良くなり、その結果感度向上につながる。

＜第３の実施形態＞
本実施形態では、陽極接合技術を用いた静電容量型超音波振動子の製造方法について説明する。陽極接合技術とは、数百℃の温度下で数百Ｖの直流電圧を印加し、シリコン表面とガラス表面とでＳｉ−Ｏの共有結合を介して張り合わせる技術のことである。本実施形態では、この技術を用いて、キャビティを型成形により形成する。ガラスは、ナトリウムイオン等の可動イオンを含むガラスである。

図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態における製造工程を示す図である。まず、複数の孔の空いた平板状のガラス基板４０と電極４１がパターンニング済みのシリコン基板４２とを用意する（図５Ａ参照）。後述するように、後の工程でガラス基板４０とシリコン基板４２とを接合させるが、ガラス基板４０の孔の位置にシリコン基板４２上の電極４１が位置するように、この電極４１をシリコン基板上にパターンニングする。

上記のガラス基板４０とシリコン基板４２を用意した後、これらをアライメントする。ここでいうアライメントとは、位置合わせのことであり、ガラス基板４０の孔部分にシリコン基板４２上の電極４１が位置するように、ガラス基板４０とシリコン基板４２を合わせる。このとき、ガラス基板４０、すなわち透明な材料を用いているので、シリコン基板４２上の電極４１をガラス基板４０を通して認識することができるので、アライメントに際し、位置合わせが容易となる。

上記のアライメント後に、数百℃の温度下で数百Ｖの直流電圧を印加してガラス基板４０とシリコン基板４２を接合させる（陽極接合）。その後、冷却するとキャビティ形成用基板（ガラス＋Ｓｉ製キャビティ形成用基板）４３が形成される（図５Ｂ参照）。その後は、図４Ｂ以降の工程を行う。このとき、図４Ｃの工程において、絶縁層３３にシリコン材料が樹脂製キャビティ形成用基板３０側の一部で露出した基板を用いれば、ここでも陽極接合により、絶縁層とガラス＋Ｓｉ製キャビティ形成用基板４３とを接合することができる。

なお、ガラス＋Ｓｉ製キャビティ形成用基板の製造については、上記に限らず、ガラス板成形時に犠牲層を形成し、さらにガラス板の一方の面に絶縁層及び上部電極層を形成した後、ガラス板の他方の面から犠牲層を除去して、シリコン基板と陽極接合してもよい。また、ガラスとＳｉの関係は逆であっても良い。

以上より、ガラス＋Ｓｉ製キャビティ形成用基板の製造において、ガラス材料を使用しているので、ガラスの向こう側が透けてみえるという特性から、容易にアライメントができる。また、陽極接合を用いるので、接着剤等を用いる必要がなく、そのため余分な接着剤のキャビティ部分へのはみ出しが生じないので、高精度の静電容量型超音波振動子を製造することができる。

以上述べた本発明の第１〜第３の実施形態によれば、メンブレンを複数の層で構成し、その内の少なくとも一層を高誘電率膜で形成したことにより、高周波数領域で高音圧を得ることができる。また、簡単な製法により製造することが可能であるので、コストダウンを図ることである。また、メンブレンの超音波振動が生体に伝わり易くなり、結果として感度が向上する。

＜第４の実施形態＞
図６〜図２３Ｈは本発明の第４の実施形態に係り、図６は本発明の第４の実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイを備えた超音波診断装置の電気系の全体構成を示し、図７Ａ及び図７Ｂは信号発生回路により発生されるＲＦ信号及び送信ビームフォーマにより生成されるＲＦ信号を示し、図８は本実施形態の積層型静電容量型超音波振動子アレイの構造を示し、図９は駆動しない時の積層型静電容量型超音波振動子エレメントの断面構造の一部を示し、図１０は駆動時における積層型静電容量型超音波振動子エレメントの断面構造の一部を示し、図１１は積層型静電容量型超音波振動子エレメントを送受信に兼用する場合の構成例を示す。

また、図１２は図１１の変形例を示し、図１３は積層型静電容量型超音波振動子エレメントを送信及び受信専用で使用する場合の構成例を示し、図１４は、パルスインバージョンの方式でティッシュハーモニックイメージングを行う場合の代表的な信号波形を示し、図１５Ａ及び図１５Ｂはパルスインバージョンによる基本波成分を除去する動作原理図を示し、図１６はＤＣバイアス電圧の立ち下がり及び立ち上がり部分を変えた波形例を示し、図１７は積層型静電容量型超音波振動子エレメントの１層目の積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示す。

また、図１８は２層目までの積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示し、図１９は４層目までの積層型静電容量型超音波振動子セルの配列の様子を示し、図２０は図１９のＡ−Ａ′線断面を示し、図２１は図２０の変形例の構成例を示し、図２２Ａ〜図２２Ｉは積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける１層目部分を製造する場合の各工程の説明図を示し、図２３Ａ〜図２３Ｈは積層型静電容量型超音波振動子エレメントにおける２層目部分までを製造する場合の各工程の説明図を示す。

図６に示すように本発明の第４の実施形態を備えた超音波診断装置１００は、積層型静電容量型超音波振動子アレイ（以下、単に超音波振動子アレイと略記）１０２と、この超音波振動子アレイ１０２を駆動及び受信処理する超音波観測装置１０３と、この超音波観測装置３から出力される映像信号が入力されることにより、超音波振動子アレイ１０２により超音波ビームで走査した被検体の超音波断層像を表示するモニタ１０４とから構成される。

超音波振動子アレイ１０２は、複数の超音波振動子エレメント１０６を２次元的に配列して構成されている。例えば図８に示すように超音波振動子アレイ１０２は、縦方向と横方向とに超音波振動子エレメント１０６が規則的に配列して構成されている。より具体的には、超音波振動子アレイ１０２は、超音波振動子エレメント１０６が例えば縦方向にＮ個、横方向にＭ個配列して構成されている）。

また、本実施形態の超音波振動子アレイ１０２を構成する超音波振動子エレメント１０６は、後述するように積層された構造にしている。

各超音波振動子エレメント１０６は、超音波観測装置１０３内の送受切替スイッチアレイ１１１を構成する送受切替スイッチ１１２の共通端子１１２１に接続される。そして、この送受切替スイッチ１１２の送信駆動入力端子Ｔａは、駆動回路アレイ１１３に接続され、この送受切替スイッチ１１２のエコー信号出力端子Ｔｂは、受信アンプとしての機能を持つチャージアンプアレイ１１４に接続される。

駆動回路アレイ１１３には、ＲＦ信号発生回路１１５の送信信号が送信ビームフォーマ１１６を介して入力される。ＲＦ信号発生回路１１５は、例えば制御回路１１７からの送信用のＲＦパルスタイミング信号に同期して、所定の周波数Ｆｒｆのパルス状のＲＦ信号を発生する。このパルス状のＲＦ信号は、１０Ｖ程度の低電圧であり、図７Ａに示すように所定の繰り返し周期Ｔｒｅｐで、パルス幅Ｔｒｆのパルス状のＲＦ信号を発生する。

この低電圧のＲＦ信号は、送信ビームフォーマ１１６に入力される。この送信ビームフォーマ１１６は、例えばＮ個の遅延回路により構成され、各遅延量を可変設定できるようにしている。そして、制御回路１１７からの遅延時間制御信号に応じた遅延量により送信用のＲＦ信号を遅延して駆動回路アレイ１１３に出力する。

図７Ｂは、送信ビームフォーマ１１６による出力信号を示す。例えば、Ｎ個の遅延回路における第１の遅延回路では遅延量がゼロのままでＲＦ信号を出力し、第２の遅延回路では遅延量δ１だけ遅延されてＲＦ信号を出力する。このように遅延量が少しづつずらしてＮ個の中央付近の遅延回路では最大の遅延量が設定されるように、また両端では遅延量がゼロとなるようにしてＲＦ信号を出力する。

送信ビームフォーマ１１６からのＲＦ信号が入力される駆動回路アレイ１１３は、送信ビームフォーマ１１６から出力されるＲＦ信号を増幅して高電圧のＲＦ信号、つまり駆動信号を生成すると共に、この駆動信号をＤＣバイアス発生回路１１８から出力されるＤＣバイアス電圧パルスに重畳して送受切替スイッチアレイ１１１に出力する。

なお、ＤＣバイアス発生回路１１８には、制御回路１１７からＤＣバイアス波形制御信号が印加され、このＤＣバイアス発生回路１１８は、低電圧のＤＣバイアス波形制御信号に同期して高電圧のＤＣバイアス電圧パルスを発生して駆動回路アレイ１１３に出力する。

図１４は、パルスインバージョンの方式の場合の説明図であるが、この図１４の下段を使用して説明すると、ＤＣバイアス発生回路１１８は、電圧値Ｖｄｃの正のＤＣバイアス電圧パルスを発生する。つまり、図１４の下段のパルスインバージョンの方式の駆動信号において、負のＤＣバイアス電圧パルス及び駆動信号を削除したものが生成される。

そして、駆動回路アレイ１１３からＤＣバイアス電圧に駆動信号が重畳された状態で、ＯＮされた送受切替スイッチ１１２を経て超音波振動子エレメント１０６にＤＣバイアス電圧パルスに重畳された駆動信号が印加される。

上記のようにＮ個配列された超音波振動子エレメント１０６には、例えば周辺側のものには遅延量が少ない状態で駆動信号が印加され、中央側のものには遅延量が大きい状態で駆動信号が印加される。

このようにして、遅延時間を調整してＮ個配列された超音波振動子エレメント１０６に駆動信号を印加することにより、Ｎ個の超音波振動子エレメント１０６による電気音響変換で被検体側に送信される各超音波を、所定の方向に集束させて送ることができる。換言すれば、超音波エネルギ密度を大きくした超音波ビームとして送信することができる。

なお、送受切替スイッチアレイ１１１は、制御回路１１７からの送受切替信号により、共通端子１１２１が送信側となる駆動回路アレイ１１３側から受信側に切り替えられる。より具体的には、例えば遅延量が最も大きい駆動信号が超音波振動子エレメント１０６に印加された後、直ちに送信側から受信側に切り替えられる。

上記被検体側の音響インピーダンスが変化している部分で反射された超音波の一部は、超音波振動子エレメント１０６により受信され、超音波エコー信号、つまり受信ＲＦ信号に変換される。

この受信ＲＦ信号は、入力インピーダンスが高いチャージアンプアレイ１１４の各チャージアンプに入力され、増幅される。そして、出力インピーダンスが低インピーダンスの各チャージアンプから受信ＲＦ信号が出力される。なお、受信時には、図示しない受信用のＤＣバイアス発生回路からＤＣバイアス電圧が超音波振動子エレメント１０６に印加され、このＤＣバイアス電圧が印加された状態でチャージアンプアレイ１１４は、受信ＲＦ信号を増幅する。

チャージアンプアレイ１１４により増幅された受信ＲＦ信号は、上記周波数Ｆｒｆを中心周波数とした所定の周波数帯域の信号成分のみを通すように設定されるフィルタアレイ１２２に入力される。このフィルタアレイ１２２は、制御回路１１７からのフィルタ特性制御信号により、各フィルタの通過帯域を可変設定できるようにしている。

フィルタアレイ１２２を通った受信ＲＦ信号は、Ａ／Ｄ変換部１２３に入力され、このＡ／Ｄ変換部１２３よりアナログ信号からデジタル信号に変換された後、受信ビームフォーマ１２４に入力される。この受信ビームフォーマ１２４によりＮ個の位相差を持った受信ＲＦ信号は１つの受信信号に合成される。

この受信ビームフォーマ１２４により合成された受信信号は、位相反転合成回路１２５に伝送される。なお、以下に説明する基本波による通常の超音波断層像の表示のみの場合には、位相反転合成回路１２５を通すことなく、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣと略記）１２６に入力しても良い。

本実施形態では位相反転合成回路１２５を設けることにより、通常の超音波断層像の表示の他に後述するパルスインバージョン方式により、高調波による超音波断層像を表示することもできるようにしている。位相反転合成回路１２５への受信ＲＦ信号の書き込み及び読み出し等の制御は、制御回路１１７により行われる。

ＤＳＣ１２６に入力され、超音波断層像に対応する映像信号に変換された後、モニタ１０４に出力され、モニタ１０４の表示面に超音波断層像が表示される。

本実施形態における超音波振動子アレイ２は、図８に示すように駆動単位となる超音波振動子エレメント１０６が縦方向と横方向とに規則的に配列して構成されている。

また、各超音波振動子エレメント１０６は、超音波振動子セル１０７が複数縦方向と横方向とに規則的に配列して構成されていると共に、積層されている。

また、図６でも模式的に示しているが、各超音波振動子エレメント１０６は、図９に示すように積層された構造となっている。なお、図９はＤＣバイアス電圧及び送信用の駆動信号を印加しない状態で示しており、図１０はＤＣバイアス電圧及び送信用の駆動信号を印加した状態で示している。

シリコン基板１３１上には、１層目コンデンサの下部電極１３２が設けられ、この１層目コンデンサの下部電極１３２上には、所定間隔で１層目コンデンサのメンブレン支持部１３３により支持された状態で１層目コンデンサのメンブレンを兼ねる２層目コンデンサの基板１３４が積層されている。なお、隣接するメンブレン支持部１３３の間には、メンブレンが変位可能とする空洞部１３５が形成されている。なお、以下のように他の層においても、空洞部１３５が形成される。

また、この基板１３４の上面には１層目コンデンサの上部電極を兼ねる２層目コンデンサの下部電極１３６が設けられる。

また、この下部電極１３６上には、所定間隔で２層目コンデンサのメンブレン支持部１３７により支持された状態で２層目コンデンサのメンブレンを兼ねる３層目コンデンサの基板１３８が積層されている。この層においてもメンブレン支持部１３７の間において、空洞部１３５が形成される。

また、この基板１３８の上面には２層目コンデンサの上部電極を兼ねる３層目コンデンサの下部電極１３９が設けられている。

この下部電極１３９の上には、所定間隔で３層目コンデンサのメンブレン支持部１４０により支持された状態で３層目コンデンサのメンブレンを兼ねる４層目コンデンサの基板１４１が積層されている。

また、この基板１４１上面には３層目コンデンサの上部電極を兼ねる４層目コンデンサの下部電極１４２が設けられている。

この下部電極１４２上には、所定間隔で３層目コンデンサのメンブレン支持部１４３により支持された状態で４層目コンデンサのメンブレンを兼ねるコンデンサの基板１４４が積層され、この基板１４４上面には４層目コンデンサの上部電極１４５が設けられている。

なお、このように積層構造の超音波振動子エレメント１０６を構成する各電極は、図９の右側に示すように１層おきの電極が導通するように接続される。

また、各層において超音波振動子セルが形成されており、例えば１層目における超音波振動子セルを符号１０７ａで示すと、図９中の点線で示す部分となる。

このような構造の本実施形態における超音波振動子エレメント１０６においては、各超音波振動子セル１０７を形成するメンブレン支持部が、１層下のメンブレンのほぼ中心部に位置する積層構造を有することを特徴の１つになっている。また、メンブレン支持部の脚底部が、１層下のメンブレンの中心部近傍でのみ接合された構造となっている。

このような構造にしているので、次の図１０に示すように駆動信号で駆動した場合に、大きな振幅で励振できるようにしている。

図１０は、図９の状態において、ＤＣバイアス電圧及び送信用の駆動信号を印加した状態で示している。

図１０から分かるように１層目における振動の節となる部分でメンブレン支持部１３３により支持されたメンブレンを兼ねる基板１３４の上面に取り付けたメンブレン支持部１３７は、隣接するメンブレン支持部１３３間の中央位置の振動の腹となる部分に設けてある。

同様に２層目における振動の節となる部分でメンブレン支持部１３７により支持されたメンブレンを兼ねる基板１３８の上面に取り付けたメンブレン支持部１４０は、隣接するメンブレン支持部１３７間の中央位置の振動の腹となる部分に設けてある。

このような構造にしているので、単一の層で超音波振動子エレメントを形成した場合よりも、はるかに大きな振幅で超音波を発生させることができる。また、超音波振動子セル１０７を単に積層した構造の従来例の場合よりもはるかに効率良く超音波振動させることができる。

図６において超音波振動子エレメント１０６の電気系の概略の構成を示しているが、１つの超音波振動子エレメント１０６により送受信を切り替える構成部分を示すと図１１のようになる。

なお、図１１は図６と殆ど同じ構成であるが、図６では記載を省略していた直流阻止コンデンサ１４７ａ、１４７ｂも示している。

図９及び図１０で説明したように、この超音波振動子エレメント１０６は、例えば１層目コンデンサの下部電極１３２の上に、１層目コンデンサの上部電極を兼ねる２層目コンデンサの下部電極１３６、２層目コンデンサの上部電極を兼ねる３層目コンデンサの下部電極１３９、３層目コンデンサの上部電極を兼ねる４層目コンデンサの下部電極１４２、４層目コンデンサの上部電極１４５が配置され、１層目コンデンサの下部電極１３２、２層目コンデンサの上部電極を兼ねる３層目コンデンサの下部電極１３９、４層目コンデンサの上部電極１４５の３つの電極は、結線されて接地側端子となり接地される。

一方、１層目コンデンサの上部電極を兼ねる２層目コンデンサの下部電極１３６及び３層目コンデンサの上部電極を兼ねる４層目コンデンサの下部電極１４２とは結線されて信号入出力端子１４６となり、送受切替スイッチ１１２に接続される。

そして、送信時には、送受切替スイッチ１１２は、制御回路１１７からの切替制御信号により駆動端子Ｔａ側と直流阻止コンデンサ１４７ａを介して接続される状態に切り替えられ、この場合には駆動端子Ｔａから入力される駆動信号が点線で示すようにように送受切替スイッチ１１２を通って超音波振動子エレメント１０６に印加される。

この場合、制御回路１１７は、ＤＣバイアス電圧源１４８ａに対して所定のＤＣバイアス電圧を発生させるように制御する。図１１に示したＤＣバイアス電圧源１４８ａは、図６におけるＤＣバイアス発生回路１１８に相当する。

従って、超音波振動子エレメント１０６には、所定のＤＣバイアス電圧が印加され、かつそのＤＣバイアス電圧の印加期間における中央付近において駆動信号が印加されるようになる。

その際には、超音波振動子エレメント１０６は、図１０に示したように積層構造にしてあるので、積層化されていない場合よりもはるかに大きな振幅で超音波を送信することができる。また、シリコン基板１３１の面方向にも二次元的に配列した広がりを持つ構造にしているので、大きなエネルギを持つ超音波信号を発生できる。

また、送信（駆動）が終了すると、送受切替スイッチ１１２は、制御回路１１７からの切替制御信号により出力端子Ｔｂ側と接続される状態に切り替えられ、この場合には超音波振動子エレメント１０６により受信され、電気信号に変換されたエコー信号が点線で示すように直流阻止コンデンサ１４７ｂを通って送受切替スイッチ１１２の出力端子Ｔｂを経てチャージアンプアレイ１１４側に出力される。この場合にも、制御回路１１７は、ＤＣバイアス電圧源１４８ｂに対して所定のＤＣバイアス電圧を発生させるように制御する。

信号受信時においても、本実施形態における超音波振動子エレメント１０６によれば、従来例の超音波振動子に比べてはるかに大きく振幅させることができ、従って従来例よりもはるかに大きな受信信号を得ることができる。換言するとはるかに高感度にでき、Ｓ／Ｎの良い受信信号を得ることができる。

なお、図１２に示す変形例のような構成にしても良い。図１２に示す構成においては、信号入出力端子１４６は、直流阻止コンデンサ１４７を介して送受切替スイッチ１１２に接続されると共に、ＤＣバイアス電圧源１４８と接続される。このＤＣバイアス電圧源１４８は、図１１のＤＣバイアス電圧源１４８ａ、１４８ｂの機能を兼ねるものであり、制御回路１１７により制御される。その他は、図１１と同様であり、その説明を省略する。

以上の説明では、１つの超音波振動子エレメント１０６を送信と受信とに兼用して使う場合で説明したが、図１３に示すように隣接して配置された２つの超音波振動子エレメント１０６′、１０６″を切り替えることなく、送信と受信専用で使用する構成にしても良い。

この場合には、送信時には、駆動端子Ｔａから直流阻止コンデンサ１４７ａを介して送信用の超音波振動子エレメント１０６′に、ＤＣバイアス電圧源１４８ａからのＤＣバイアス電圧と共に、駆動信号が印加される。

そして、この超音波振動子エレメント１０６′により発生される超音波は、被検体１４９側に送波される。被検体１４９内に病変部１５０等、音響インピーダンスが異なる部分が存在するとその部分で反射される。反射された超音波の一部は、受信用の超音波振動子エレメント１０６″により受信され、電気信号、つまる受信ＲＦ信号に変換される。そして、直流阻止コンデンサ１４７ｂを経て出力端子Ｔｂを通りチャージアンプアレイ１１４側に出力される。この場合にも、制御回路１１７は、ＤＣバイアス電圧源１４８ｂに対して所定のＤＣバイアス電圧を発生させるように制御する。尚、図１３に示す構成は、送信用超音波振動子エレメントと受信用超音波エレメントを別体として動作させる場合にも対応している。

また、本実施形態の超音波振動子アレイ１０２を用いてパルスインバージョンによりティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩと略記）を行うこともできる。この場合においても、超音波振動子アレイ１０２は、積層タイプの超音波振動子エレメント６を用いて構成されているので、Ｓ／Ｎの良い超音波断層像を得ることができる。

図１４は、ＴＨＩを行う場合の代表的な信号波形を示し、図１４の上段は、ＤＣバイアスパルス制御信号を示し、図１４の下段はパルスインバージョン用の超音波振動子エレメント駆動信号を示す。通常の基本波による駆動信号は、その駆動信号が周期Ｔｒｅｐで繰り返されるのに対して、図１４の下段に示すようにパルスインバージョン用の駆動信号は、周期Ｔｒｅｐの１／２の周期Ｔｉｎｖに位相を反転して駆動するダブルパルスが伴うようにしている。

この場合の動作原理を図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａ及び図１５Ｂは、パルスインバージョンの原理図を示す。

図１５Ａに示すように駆動信号として、パルスＡと時間差ｔｄ（図１４の期間Ｔｉｎｖに相当）で逆位相のパルスＢを超音波振動子に印加し、生体組織側に超音波を送信する。

生体組織の非線形性により、超音波の基本波成分と共に、基本波成分の音圧に対して、例えば数１０ｄＢ小さな音圧を持つ高調波成分が混ざった受信信号が得られることになり、両者が混在した受信信号から基本波成分を除去する必要がある。

この場合、図１５Ｂに示すように受信信号における基本波成分及び奇数次の高調波成分のパルスＡ、Ｂは送信時と同じ位相関係を保つのに対して、偶数次の高調波成分は、基本波の２乗、４乗、…となるため、全て正のパルスＡ，Ｂとなる。図１５Ｂにおける高調波は第２高調波で示している。

従って、受信信号における基本波成分のパルスＡ及びパルスＢは、時間差ｔｄを０にして和を取るとゼロになる。

これに対して、高調波成分は、時間差ｔｄを０にして和を取ると、倍加することになる。

このようにして、高調波成分のみを抽出することができる。なお、時間差ｔｄを０にする手段としては、本実施形態における図６の位相反転合成回路１２５を採用することができる。つまり、先行する受信パルスを一時位相反転合成回路１２５内のメモリに格納し、後続する受信パルスが到達した時点で、メモリから先行する受信パルスを読み出して両者の和を取ることにより、基本波成分及び奇数次の高調波成分を０に、偶数次の高調波成分を倍加して得ることができる。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、原理図であり、静電型に依存しない方法である。これに対して、図１４に示す方法は、静電容量型であるので、極性の異なるＤＣバイアス電圧パルスに同じ位相の駆動信号を重畳して静電型超音波振動子エレメント１０６に印加することにより、逆位相の超音波を発生させて、これを生体側に送信する。このため、ＴＨＩの場合には、以下に説明するようにＤＣバイアス発生回路１１８は正及び負のＤＣバイアス電圧パルスを発生し、また駆動回路アレイ１１３は、内蔵した図示しない遅延回路を用いてダブルの駆動信号を発生する。

受信時には一方の極性のＤＣバイアス電圧を印加した状態で受信信号を得るようにすることにより、図１５Ａ及び図１５Ｂの場合と同様の動作となる。

次に図１４を参照して、パルスインバージョン用の駆動信号の生成方法を説明する。

制御回路１１７は、図１４の上段に示すようにＤＣバイアスパルス制御信号を、駆動回路アレイ１１３とＤＣバイアス発生回路１１８に出力する。

このＤＣバイアスパルス制御信号における＋ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰａによりＤＣバイアス発生回路１１８を制御する。そして、ＤＣバイアス発生回路１１８は、この＋ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰａに同期して図１４の下段に示すように電圧値がＶｄｃで示す高電圧の正のＤＣバイアス電圧パルスＢ１を発生し、＋ＤＣバイアス停止タイミングパルスＰｂによりＤＣバイアス電圧パルスＢ１の発生を停止する。このＤＣバイアス電圧パルスＢ１の発生期間は、Ｔｄｃとなる。

また、上記ＤＣバイアスパルス制御信号は、ＤＣバイアス電圧パルスＢ１の発生期間Ｔｄｃの間における＋ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰａの直後に、信号電圧値がＶｒｆのＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆが伴う。このＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆは、駆動回路アレイ１１３における各駆動回路に入力され、各駆動回路は、このＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆの期間、入力されるＲＦ信号を増幅して、高電圧のＲＦ信号Ｓ１を生成する。

従って、図１４の下段に示す駆動信号は、上記ＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆの期間Ｔｒｆにおいて、増幅された高電圧のＲＦ信号Ｓ１がＤＣバイアス電圧パルスＢ１に重畳されたものとなる。

なお、このＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆの発生期間Ｔｒｆは、バイアス電圧の発生期間Ｔｄｃより短い。

そして、このように正のＤＣバイアス電圧パルスＢ１に高電圧のＲＦ信号Ｓ１が重畳された駆動信号が超音波振動子エレメント１０６に印加される。そして、超音波振動子エレメント１０６により超音波に変換されて、その超音波が生体組織側に送信される。

この送信時から所定時間Ｔｉｎｖの後、制御回路１１７からのＤＣバイアスパルス制御信号は、図１４の上段に示すように−ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰｃを持ち、この−ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰｃがＤＣバイアス発生回路１１８に入力される。

そして、次に図１４の下段に示すように、この−ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰｃに同期して電圧値がＶｄｃの負のＤＣバイアス電圧パルスＢ２をＤＣバイアス発生回路１１８は発生し、その後の−ＤＣバイアス停止タイミングパルスＰｄによりＤＣバイアス電圧パルスＢ２の発生を停止する。このＤＣバイアス電圧パルスＢ２の発生期間は、Ｔｄｃとなる。

また、ＤＣバイアスパルス制御信号は、上記−ＤＣバイアス起動タイミングパルスＰｃの直後に信号電圧値がＶｒｆのＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆを伴ったものとなり、この期間ＴｒｆはＤＣバイアス電圧パルスＢ２の発生期間Ｔｄｃより短い。

上記ＲＦ信号発生タイミングパルスＰｒｆの期間Ｔｒｆにおいて、駆動回路アレイ１１３の各駆動回路は、図示しない遅延時間がＴｉｎｖの遅延回路を通したＲＦ信号を増幅して高電圧のＲＦ信号Ｓ２を生成し、このＲＦ信号Ｓ２をＤＣバイアス電圧パルスＢ２に重畳して出力する。

そして、このように負のＤＣバイアス電圧パルスＢ２に高電圧のＲＦ信号Ｓ２が重畳された駆動信号が超音波振動子エレメント１０６に印加される。そして、超音波振動子エレメント１０６により超音波に変換されて、その超音波が生体組織側に送信される。

この場合、負のＤＣバイアス電圧パルスＢ２にＲＦ信号Ｓ２を重畳した駆動信号を生成しているので、正のＤＣバイアス電圧パルスＢ１にＲＦ信号Ｓ１を重畳した駆動信号で超音波振動させたものとは逆位相の超音波が送信されることになる。

なお、図１４の下段の振動子駆動信号は、位相差を持って例えば縦方向に配列されたＮ個の超音波振動子エレメント６に印加される。

そして、所定方向に集束されたエネルギ密度の高い超音波ビームとなって生体組織側に送信される。生体側で反射された超音波は、再び各超音波振動子エレメント１０６により電気信号、つまりエコー信号（或いは受信ＲＦ信号）に変換される。そして、チャージアンプアレイ１１４により増幅及びインピーダンス変換された後、フィルタアレイ１２２に入力される。

フィルタアレイ１２２は、超音波伝播と共に、生体による減衰と共に信号の高調波成分が低下し、全体的に周波数成分は低周波側にシフトする。このシフトを考慮してフィルタの中心周波数が制御され、帯域外のノイズを遮断する。超音波の伝播距離と共にフィルタの中心周波数を変化させる制御信号が制御回路１１７からフィルタアレイ１２２に送信される。

このフィルタアレイ１２２を通った受信ＲＦ信号は、Ａ／Ｄ変換部１２３でデジタル信号に変換された後、受信ビームフォーマ１２４により、１つの受信信号に合成される。この受信信号は、時間的に先行して入力される信号成分部分と、後続して入力される信号成分とからなり、先行する信号成分は分離されて位相反転合成回路１２５内のメモリに一時格納される。

そして、先行して入力される信号成分は、所定時間Ｔｉｎｖの後にメモリから読み出され、後続して入力される信号成分と加算される。

つまり、各超音波振動子エレメント１０６は、それぞれ所定時間Ｔｉｎｖの後には、逆位相で駆動され、受信ＲＦ信号における基本波成分はその位相を保持している。受信ビームフォーマ１２４により合成した場合にも各々がその位相関係を保持している。

その場合、この所定時間Ｔｉｎｖずれたタイミングで位相反転合成回路１２５内のメモリの信号を読み出して、両信号を加算することにより、逆位相の基本波成分は互いに打ち消しあう。これに対して偶数次の高調波は、基本波の２乗、４乗、…されたものであるので、逆位相に影響されないで、加算すると２倍の信号として取り出される。

その後、合成された信号は、ＤＳＣ１２６に出力され、映像信号に変換されてモニタ１０４の表示面に、高調波による超音波断層像が表示される。

なお、高調波によるイメージングと基本波によるイメージングとを交互に行い、両信号を合成して超音波断層像を表示するようにしても良い。この場合、基本波のイメージングを行う場合には、フィルタアレイ１２２は、基本波を通す周波数帯域に設定される。

なお、図１４の下段ではＤＣバイアス電圧の立ち上がり及び立ち下がりを急峻な波形にしているが、図１６に示すように滑らかに立ち上がるＤＣバイアスパルス立ち上がり部Ｄａにすると共に、滑らかに立ち下がるＤＣバイアスパルス立ち下がり部Ｄｂにすると良い。次に本実施形態における超音波振動子エレメント１０６の構造をさらに説明し、その製造方法も説明する。

図１７は、１層目の超音波振動子エレメント１０６ａを示す。シリコン基板１３１上には、１層目の超音波振動子エレメント１０６ａを構成する複数の超音波振動子セル１０７ａが規則的に２次元配列されている。この例では、７×７個の超音波振動子セル１０７ａにより、１層目の超音波振動子エレメント１０６ａが構成されている。

そして、この１層目の超音波振動子エレメント１０６ａを構成する超音波振動子セル１０７ａ上には、図１８に示すように２層目の超音波振動子エレメント１０６ｂを構成する超音波振動子セル１０７ｂが積層されている。

さらにこの２層目の超音波振動子エレメント１０６ｂの超音波振動子セル１０７ｂの上には、３層目の超音波振動子エレメント１０６ｃを構成する超音波振動子セル１０７ｃが積層されている。

さらに、３層目の超音波振動子エレメント１０６ｃを構成する超音波振動子セル１０７ｃ上には、図１９に示すように４層目の超音波振動子エレメント１０６ｄを構成する超音波振動子セル１０７ｄが積層されている。

また、図２０は、図１９におけるＡ−Ａ′線断面を示す。図９等で示したように超音波振動子エレメント１０６は、積層構造になっている。

図２０に示すように各層における周辺部分におけるメンブレン支持部１５１，１５２，１５３，１５４は、その内側の空洞部１３５を外部と遮断するように形成されている。図２０においては、紙面に垂直方向にその下層との接合部がライン状に形成されている。

このように周縁部においては、外部と遮断する構造にして、使用中は元より、使用後に洗浄等を行う場合においても、空洞部１３５に不要な蒸気、液体等が混入しないように密閉構造にしている。

なお、図２１に示す変形例のように周縁部のサイズを揃えるようにするため、例えばメンブレン支持部１５１の周辺に合わせるため，厚みを大きくしたメンブレン支持部１５２′，１５３′，１５４′のようにしても良い。なお、図２０及び図２１に示すように、下層側ほど、メンブレン支持部の厚みを大きくするようにして、積層構造に適した支持を行えるようにしても良い。また、メンブレンに関しても、下層側ほど、メンブレンの厚みを大きくするようにして、積層構造に対応した構造にしても良い。

次に図２２Ａ〜図２２Ｉを参照して本実施形態における超音波振動子エレメント１０６の製造方法を説明する。

図２２Ａに示すようにシリコン基板１６１の上面に酸化シリコン等の絶縁層１６２を形成する。次に、図２２Ｂに示すように、この絶縁層１６２の上に下部電極１６３を形成してする。

次に図２２Ｃに示すように、空洞部等を形成するために必要な犠牲層１６４を形成する。この犠牲層１６４は、後で除去される一時的な層であり、エッチング等で除去し易い例えばポリシリコンで形成される。

次に図２２Ｄに示すように、犠牲層１６４における空洞部を形成する部分の上にマスク１６５を２次元的に配列させうように形成する。図２２では例えば左右方向の断面で示しているが紙面に垂直な方向も同様の配列でマスク１６５が形成される。

そして、各空洞部の周囲（のメンブレン支持部となる部分）１６６にはマスク１６５を形成しないようにする。

次に図２２Ｅに示すように、エッチング処理により、マスク１６５をしていない部分の犠牲層１６４を除去して、メンブレン支持部形成用の凹部１６７を形成する。

次に図２２Ｆに示すように、マスク１６５を除去する。そして、次の図２２Ｇに示すように、凹部１６７内を充填してメンブレン支持部を形成すると共に、犠牲層１６４の上面を覆うように絶縁性の窒化シリコン等を用い、メンブレン膜となる膜１６８を形成する。

次に図２２Ｈに示すように、この膜１６８から下の犠牲層１６４に届く孔１６９を形成する。そして、エッチング等により、犠牲層１６４を除去する。そして、犠牲層１６４を除去して空洞部１７０を形成し、その上から孔１６９を塞ぐようにメンブレン層１７１を形成する。このメンブレン層１７１は、窒化シリコンを用いることができる。このメンブレン層１７１の上に上部電極１７２を形成すると図２２Ｉとなる。

図２２Ａ〜図２２Ｉに示す工程を行うことにより、１層目の超音波振動子エレメント１０６ａを形成することができる。そして、この１層目の超音波振動子エレメント１０６ａの上に図２２Ｃから図２２Ｉに示す工程を繰り返すことにより、２層目の超音波振動子エレメント１０６ｂを形成することができる。

図２３Ａ〜図２３Ｈは、２層目の超音波振動子エレメント１０６ｂを形成する工程の説明図を示す。

簡単に説明すると、図２３Ａは、上部電極１７２の上に犠牲層１６４′を形成した図を示し、図２３Ｂは、犠牲層１６４′にマスク１６５′を設けた図を示す。なお、各空洞部の周囲（のメンブレン支持部となる部分）１６６′にはマスク１６５′を形成しないようにしている。また、この２層目におけるマスク１６５′は、（その直下の層となる）１層目のマスク１６５を形成した位置と２次元的に半ピッチずらして形成する。

つまり、２層目におけるマスク１６５′の中央位置は、１層目における２つのマスク１６５間の間の位置となるように２次元的にずらして形成する。従って、３層目におけるマスクの位置は、２層目とは半ピッチずれるが１層目のマスクの位置の上部の位置に形成されることになる。

図２３Ｃは、エッチング処理して凹部１６７′を設けた図を示し、図２３Ｄは、マスク１６５′を除去した図を示す。

また、図２３Ｅは、メンブレン層となる膜１６８′を形成した図を示し、図２３Ｆは、犠牲層１６４′に届く孔１６９′を設けた図を示し、図２３Ｇは、エッチングにより犠牲層１６４′を除去した図を示す。

図２３Ｈは、メンブレン層１７１′を形成し、その上にさらに上部電極１７２′を形成した図を示す。図２３Ａから図２３Ｈに示した工程により２層目までの超音波振動子エレメントを製造できる。さらにこの後、同様の製造工程を繰り返すことにより、３層目の超音波振動子エレメントを製造でき、その上に４層目の超音波振動子エレメントを形成することにより、４層構造の超音波振動子エレメント６を製造できる。

このようにして製造した積層型静電容量型超音波振動子エレメント１０６によれば、上述したように従来例に比べて大きな音圧の超音波ビームを発生できると共に、受信した場合においても大きな振幅の電気信号に変換でき、Ｓ／Ｎの良好な超音波断層像を得ることができる。

また、このような積層型静電容量型超音波振動子エレメント１０６をアレイ状に２次元配列させたものを用いてビームフォーカスを行うと、より大きな音圧の超音波ビームを発生できると共に、受信した場合においても大きな振幅で電気信号に変換でき、Ｓ／Ｎの良好な超音波断層像を得ることができる。

以上述べた本発明の第４の実施形態によれば、積層型静電容量型超音波振動子を用いて生体に超音波を送受信することにより、エネルギ密度の高い超音波ビームを送受信でき、Ｓ／Ｎの良好な超音波断層像を得ることができる。

＜第５の実施形態＞
図２４は本発明の第５の実施形態の静電容量型超音波プローブ装置における静電容量型超音波プローブを示す図であり、図２５は図２４の静電容量型超音波プローブ先端部を拡大して示す斜視図である。

図２４において、符号２０１はプローブヘッド、２０２は静電容量型超音波プローブ装置、２０３は静電容量型超音波プローブ、２０３ａはシース、２０３ｂはジョイント、２０４は駆動制御部、２０４ａ，２０４ｂはコネクタ、２０５は超音波観測装置、２０６はモニター、２０８は静電容量型超音波振動子、２０９は超音波振動子のハウジング、２１０はフレキシブルシャフトである。

プローブヘッド２０１は超音波センサーとしての超音波振動子２０８を備えていて、細い管で構成されるシース２０３ａを超音波の鉗子孔の中に挿入し、先端の突き出したところで光学的な画像を内視鏡で見ながら、超音波の画像を観測する、といった使い方をしている。プローブヘッド２０１の超音波振動子２０８としては、従来の圧電型の超音波振動子に代えて、静電容量型の超音波振動子を使用する。

図２５は上記プローブヘッド２０１の構造を示している。

図２５において、プローブヘッド２０１におけるシース２０３ａの内部に、静電容量型超音波振動子２０８がハウジング２０９にて保持された状態で配設されていいる。ハウジング２０９には開口部が設けられており、該開口部は超音波振動子２０８の超音波放出面に対向して形成されている。

図２６は図２５における静電容量型超音波振動子２０８の一部分の断面図を示している。

図２６は基本構造を示しており、符号２１１は静電容量型超音波振動子セル、２１２はシリコン基板、２１３は下部電極、２１４は上部電極、２１５はメンブレン、２１６はキャビティ、２１９はメンブレン支持部である。

シリコン基板２１２は低抵抗シリコンで構成され、は絶縁体例えばＳｉＮ，ＳｉＯ２等で構成されている。

シリコン基板２１２には各々が振動子セルを形成すべく低抵抗シリコン基板２１２上に下部電極２１３を形成後、絶縁性のメンブレン支持部２１９を形成し、高分子フィルムからメンブレン２１５を形成し、上部電極２１４を形成する。以上により、キャビティ２１６が形成される。キャビティ２１６は空気などで満たされた空間である。このような構造の作成は、半導体プロセスで一挙に作成することも可能である。

図２７は本発明の第５の実施形態の特徴的な構造を立体的に示い斜視図である。図２８は図２７の特徴的な構造の上に下部，上部電極及びメンブレンを形成した側断面図を示している。

これらの図において、符号２１６はキャビティ、２１８は弾性体支柱、２１９はメンブレン支持部、２１６１はキャビティ上部間隙部、２１６２はキャビティ側部間隙部、２１３１は下部電極である。その他の符号は図２６と同様である。

図２７では、図２６におけるキャビティ２１６の中に、複数の円柱状又は円板状の弾性体支柱２１８を林立させた構造としている。

そして、図２８に示すように、複数の弾性体支柱２１８の各円柱全体の表面全てを覆うようにして下部電極２１３１が形成されている。このように複数の弾性体支柱２１８を覆って下部電極２１３１を形成することによって、キャビティ２１６の音響インピーダンスが変わってくる。従って、弾性体支柱２１８は音響インピーダンス調整支柱としての機能を果たす。

つまり、キャビティ全体が空気であると、その空気の音響インピーダンスしか有しないことになるが、そのキャビティ２１６の中に複数の弾性体支柱２１８の林立した構造を作ってやると、中間的な平均化したようなインピーダンスになり、キャビティの中の平均的な音響インピーダンスを高めることになる。

これは、複数の弾性体支柱２１８の高さを色々に変えたり、密度を変えたりすることによって、キャビティ内の音響インピーダンスを色々にコントロールできることを意味している。従って、見掛け上の音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに近づけて、音響整合させることができる。

図２９は、図２８の変形例を示す側断面図である。図２８と異なる点は、図２９では、林立する複数の弾性体支柱２１８の支柱高さに球面状の分布曲線２２０を持たせたものである。このようにすると、上からみた音響インピーダンスが曲面に従って分布特性を持つことになる。キャビティ２１６にはシリコン基板との境界部分で音響インピーダンス特性に極端に変化することになるが、図２９のように境界部付近では支柱高さが高く球面状の分布曲線２２０の中心部分では支柱高さが低くなるようにしておくことで、境界部近傍即ち静電容量型超音波振動子の開口周辺部分での音響インピーダンス特性の変化を滑らかにすることが可能となる。

なお、図２８及び図２９の実施形態で、静電容量型超音波振動子セルを構成する音響整合手段としての、複数の弾性体支柱２１８で成る音響インピーダンス調整支柱と、メンブレン２１５との間に、ヘルムホルツの共鳴器構造を介在させる構成としてもよい。即ち、超音波振動子セルにおけるメンブレン２１５に例えば１つの孔を設けると、キャビティの中で共鳴した音波が孔を通して放出され、その音波を利用することが可能な孔空きのキャビティ構造、即ち、ヘルムホルツの共鳴器構造を構成できる。

＜第６の実施形態＞
図３０は本発明の第６の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。符号２２１はポーラスシリコン，ポーラス樹脂等のポーラス材、２２３は流動パラフィン等の音響媒体、２２４はキャップ等の外皮である。

図３０においては、生体の音響インピーダンスと空気をキャビティ２１６に用いた静電容量型超音波振動子との音響的な整合をとるために、キャビティ２１６が形成されたシリコン基板２１２の上に音響媒体としての流動パラフィン２２３がスペーサ２２２にて周囲を囲まれた状態で配設され、さらにその上に流動パラフィン２２３が飛び散ることのないように外皮としてのキャップ２２４が配設されている。流動パラフィン２２３は、バラフィン状の流動し易い液体の音響媒体であり、空気に比べて音響インピーダンスは非常に高くて生体の音響インピーダンスに近い。そして、流動パラフィン２２３の層の厚さが面内で一定に保つために、前述のスペーサ２２２を設けて平行層が形成されるようにしている。

ここで、キャビティ２１６として、空気を用いた場合、流動パラフィン２２３の層は、メンブレン２１５を見た見かけの音響インピーダンスと外皮２２４に接触する図示しない生体の音響インピーダンスとをインピーダンス整合する音響整合層を形成している。

音響整合層には音響インピーダンス的な条件として、層の厚さが一定であることが必要である。つまり、λ／４（ただし、λは超音波の波長）に相当する厚さを持つことが必要である。この条件を満たすためには、例えば、外皮２２４と高分子膜によるメンブレン２１５との間に、スペーサ２２２を入れて音響媒体としての流動パラフィン２２３の層の厚みが一定となるようにしている。

次に、図３０のキャビティ２１６として、ポーラスシリコンやポーラス樹脂などのポーラス材２２１が用いた場合について説明する。このポーラス材は、ポーラスシリコンの場合は、シリコン（Ｓｉ）に非常に細かい孔が空いている。閉じた孔ではなくて開放した孔である。その孔には空気が入り込むので平均化すると、空気とシリコンの材料の、平均化した音響インピーダンスの値が得られることになる。ある程度の弾性も有していて、振動も可能である。そのポーラス材の孔の向きについては、孔の深さ方向が厚さの方向となっている。つまり、厚み方向に孔が掘り下げられてある。そいう孔が面内に非常に多数分布している。従って、平均化すると、シリコンの体積分と空気層が占める体積分との平均加算に相当する音響インピーダンスが得られることになる。

このようにキャビティ２１６の中に、上記のようなポーラス材２２１を埋め込むと、空気の代わりにある程度高めの音響インピーダンスを持った材質が入り込むので、それだけで音響整合ができる。この場合には、前述した流動パラフィン２２３は、単に超音波をロスなく生体に伝える役目だけになる。

＜第７の実施形態＞
図３１は本発明の第７の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。図３２は図３１における凹凸のポリイミドのシート（以下、ＰＩシート）の平面図を示している。これらの図において、符号２３０は凹凸のＰＩシート、２３１は保護膜ホーン、２３２はひだ部、２３３は変位部、２３４，２３５は変位、２３６は静電容量型超音波振動子セルにおけるメンブレン中心部、２３７は静電容量型超音波振動子セル領域、２３８は折れ稜線、をそれぞれ示している。

変位部２３３は斜面になっており、折り曲げた屋根状に形成されている。その屋根形状にて、保護膜兼絶縁層兼ホーンの役割を果たしている。ＰＩシート２３０はポリイミドのシートであるから耐薬品性、耐食性があり、保護膜として機能し、また電気的絶縁性もあり、絶縁層としても機能する。さらに、屋根状の構造にしてホーンの役割もさせている。凹部の中心に当たる位置２３６は、静電容量型超音波振動子セルのメンブレン２１５の中心部に対応している。

このように凹凸のＰＩシート２３０によるホーン構造にすると、この構造そのもので音響インピーダンス変換をすることができる。ＰＩシート２３０以外の、下部電極２１３、上部電極２１４、キャビティ２１６、メンブレン２１５の構造については、第５，第６の実施形態と同様である。なお、ホーンの形状によっては、超音波エネルギーを高める増幅機能を持たせることも可能であるが、ここでは単純に音響インピーダンス変換をする目的の構造となっている。

＜第８の実施形態＞
図３３及び図３４は本発明の第８の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。これらの図において、符号２４０は第一音響整合層、２４１は第二音響整合層、２４２は空気層、２４４は超音波放射孔、２４５は超音波送信方向、２４６は診断対象物、２４７は空洞層である。なお、メンブレン２１５を形成する高分子膜はフレキシブルフィルムで構成されており、符号２４３はフレキシブルフィルムの振動変位を示している。

図３３は、空気で形成されるキャビティ２１６の底面に下部電極２１３が形成され、キャビティ２１６の上にメンブレン２１５が形成され、さらにその上に上部電極２１４が配設された通常構成の静電容量型超音波振動子の高分子膜によるメンブレン２１５と、診断対象物２４６との間に、複数（図では２つ）の音響整合層２４０，２４１を空気層２４２を介在させた構造としたものである。

一層目の音響整合層２４０がポーラスシリコーン樹脂、二層目の音響整合層２４１がシリコーン樹脂である。音響整合をする層の総数が多くなればなるほど精度の高い音響整合が可能となる。

ポーラスシリコーン樹脂は、ベースになる材料がシリコーン樹脂であり、シリコーン樹脂の膜を形成している。シリコーン樹脂の膜をポーラス状に加工してそれを音響整合層の膜として用いている。ポーラスシリコーン樹脂の音響インピーダンスは、ポーラスに空気が入っているので、空気と孔の空いていないシリコーン樹脂の中間的な値となる。そして、二層目の孔の空いていないシリコーン樹脂があって、最終的には診断対象物である生体に結合させる。

音響整合というのは、対象物の音響インピーダンス（ρｃ）ｏと音源の音響インピーダンス（ρｃ）ｓに差異がある場合、両者の間に、その中間的な音響インピーダンス（ρｃ）ｍを持つ層を介在させることである。従って、介在する層が２層ｍ１，ｍ２である場合、それぞれの音響インピーダンスを（ρｃ）ｍ１，（ρｃ）ｍ２とすると、
（ρｃ）ｓ＜（ρｃ）ｍ１＜（ρｃ）ｍ２＜（ρｃ）ｏであることが必要である。

従って、シリコーン樹脂ｍ２が（ρｃ）ｍ２＝１とすると、（ρｃ）ｍ１＜＜１となる。

空気層２４２の音響インピーダンスは＜＜１であるので、ρｃの関係は以下のようになる。

（ρｃ）ｓ＜（ρｃ）ｍ１＜（ρｃ）ｍ２＜（ρｃ）ｏ
ここで、ρｃについては例えば、（ρｃ）ｓ＝１０−２Ｍｒａｙｌ、（ρｃ）ｍ１＜＜１．０Ｍｒａｙｌ、（ρｃ）ｍ２＝１．０Ｍｒａｙｌ、（ρｃ）ｏ＝１．５Ｍｒａｙｌである。

図３４は、ヘルムホルツのキャビティと呼ばれる構造の一例を示している。シリコン基板２１２の中間にフレキシブルフィルムによるメンブレン２１５を形成してある。シリコン基板２１２には、メンブレン２１５を境にしてキャビティ２１６とそれに対峙して空洞層２４７が形成されており、空洞層２４７の略中央にはシリコン基板２１２を貫通する超音波放射孔２４４が設けられている。そして、シリコン基板２１２の孔２４４が形成された超音波放出側の面には、２つの層からなる音響整合層２４０，２４１が形成されている。キャビティ２１６の底面には下部電極２１３が形成され、この下部電極２１３に対向したメンブレン２１５上には上部電極２１４が形成されていることは図３３と同様である。

このように、超音波振動子セルにおけるメンブレン２１５の上にキャビティ２１６に対向して空洞層２４７を設け、そこに例えば１つの孔２４４を設けると、キャビティ２１６及び空洞層２４７の中で共鳴した音波が孔２４４を通してシリコン基板２１２の超音波放出側の音響整合層２４０，２４１を通して放出され、その音波を利用することが可能となる。

＜第９の実施形態＞
図３５及び図３６は本発明の第９の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子の側断面図を示している。これらの図において、符号２４８はシース、２４９はシリコン基板、２５０は静電容量型超音波振動子アレイ、２５１は静電容量型超音波振動子アレイ一部、２５２は空気層、２５３は音響整合層、２５４は同軸ケーブル、２５５は隔壁、２５１１は静電容量型超音波振動子セル、２５１２はメンブレン、２５１３は空洞部、２５１４は下部電極、２５１５は上部電極、２５１６は制御回路（ＳＷ回路）、２５１７は制御回路、２５１８はインターコネクト、２５１９は外部コンタクト電極、をそれぞれ示している。

管状のシース２４８の中に、シリコン基板２４９上に半導体プロセスで作成された静電容量型超音波振動子アレイ２５０が収納され、外部とは隔壁２５５にて隔離される。シース２４８からは、静電容量型超音波振動子アレイ２５０及びシリコン基板２４９に電気的に接続した同軸ケーブル２５４が外部へ引き出されている。静電容量型超音波振動子アレイ２５０とシース２４８との間には、空気層２５２があって、その次にシース２４８の内面に形成した音響整合層２５３が形成されている。そして、そのシース２４８の外側に診断対象物である生体がくる。

シース２４８の材料としては、生体に近い音響インピーダンスの材質を使用すると、静電容量型超音波振動子から空気があって、音響整合層があり、シース材があって、生体がくるという順序で音響整合することになる。

図３６は図３５の静電容量型超音波振動子アレイの一部２５１を拡大して示している。シリコン基板２４９には厚みがあるので、制御回路２５１６，２５１７を作り込むことができる。制御回路２５１６はスイッチ回路、制御回路２５１７は例えばパワーアンプやチャージアンプである。シリコン基板の中にインターコネクト２５１８が貫通して形成され、シリコン基板の厚さ方向に空洞部２５１３があり、空洞部２５１３の外面側にメンブレン２５１２及び上部電極２５１５がある。空洞部２５１３の下部に下部電極２５１４がある。配線をインターコネクト２５１８を通してシリコン基板２４９の反対面側に導出している。

半導体シリコンプロセスで静電容量型超音波振動子近傍に、駆動信号発生部、パワーアンプ、チャージアンプを構成し、低インピーダンスに変換し信号伝送することにより、同軸ケーブル２５４によるロスをなくすることが可能となる。

＜第１０の実施形態＞
図３７は本発明の第１０の実施形態の静電容量型超音波プローブにおける静電容量型超音波振動子セルの側断面図を示している。この図において、符号２５６は樹脂層、２５７は空隙層、をそれぞれ示している。

シリコン基板２１２の表面に下部電極２１３を形成し、その上に樹脂層２５６を配設し、さらに樹脂層２５６とその上に設けた空隙層２５７とで所定の高さとなるように、メンブレン２１５として機能する高分子膜をシリコン基板２１２上に形成し、さらに樹脂層２５６及び空隙層２５７を所定高さに設けてメンブレン２１５とした高分子膜上に上部電極２１４を形成している。これによって、下部電極２１３と上部電極２１４間に形成されるキャビティの中の見掛け上の音響インピーダンスを高め、診断対象である生体の音響インピーダンスに近づけるようにする。

このように、キャビティ内に配設する樹脂層２５６としては、生体の音響インピーダンスに近いものを使用することで、キャビティの音響インピーダンスを空気ではなくそれよりも高い音響インピーダンスを持ったものとすることができる。キャビティ内における樹脂層以外の空隙層２５７は空気層のようなものであるが、この空隙層２５７の高さｈを調整することによって、音響インピーダンスを最適なものにすることが可能である。なお、樹脂層２５６に代えて液体層としてもよい。ただし、液体を用いた場合、キャビティ内を液体で満たすか、或いは一定の厚さを維持する工夫が必要である。

以上述べた本発明の第５〜第１０の実施形態によれば、効果的な音響インピーダンス整合が可能となるので、受信エコー信号から微小な高調波成分を抽出する技術に利用して、ハーモニックイメージング診断像を得るのに有用である。

＜第１１の実施形態＞
図３８〜図４３は本発明の第１１の実施形態に係り、図３８は本発明の第１１の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブを備えた超音波診断装置の構成を示し、図３９は第１１の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブの先端側の構成を示し、図４０は静電容量型超音波振動子エレメントの構造を示し、図４１は図４０の底面側から見たメンブレン等の形状を示し、図４２は静電容量型超音波振動子エレメントを駆動する電気系の構成を示し、図４３は変形例における静電容量型超音波振動子アレイを駆動する電気系の構成を示す。

図３８に示す超音波診断装置３０１は、図示しない内視鏡のチャンネンル内に挿通可能とする第１１の実施形態の体腔内挿入用静電容量型超音波プローブ（以下、静電容量型超音波プローブと略記）３０２を有する。

この静電容量型超音波プローブ３０２は、静電容量型超音波プローブ本体３０３と、この静電容量型超音波プローブ本体３０３の後端のジョイント部３０３ａが着脱自在に接続されるジョイント部３０４ａが設けられた駆動ユニット３０４とからなる。この駆動ユニット３０４内には、静電容量型超音波プローブ本体３０３に内蔵された静電容量型超音波振動子を回転駆動するモータ等の回転駆動機構が内蔵されている。

この駆動ユニット３０４からケーブル部３０４ｂが延出され、その後端に設けたコネクタ３０５は、超音波観測装置３０６に着脱自在に接続される。この超音波観測装置３０６は、モニタ３０７と接続され、モニタ３０７には超音波観測装置３０６から映像信号が入力され、この映像信号に対応する超音波断層像を表示する。

静電容量型超音波プローブ本体３０３は、細長で可撓性を有するシース３０８により覆われて挿入部３０９が形成され、この挿入部３０９は、内視鏡のチャンネル内に挿通できるようにしている。

この静電容量型超音波プローブ本体３０３の先端には、図３９に示すような超音波プローブヘッド部３１０が設けられている。

図３９に示すように円筒形状のシース３０８の先端を閉塞して超音波プローブヘッド部３１０が形成され、この超音波プローブヘッド部３１０の内部には、静電容量型超音波振動子エレメント３１２を含む静電容量型超音波振動子を取り付けたハウジング３１１が収納されている。このシース３０８内部は、超音波を伝達する超音波伝達媒体３１３が充満されている。

この静電容量型超音波振動子エレメント３１２を含む静電容量型超音波振動子を取り付けたハウジング３１１は、シース３０８内に挿通されたフレキシブルシャフト３１４の先端に取り付けられている。

このフレキシブルシャフト３１４の後端は、図４２に示すようにモータ３１５の回転軸に接続され、このモータ３１５は、駆動部３１７からの駆動信号により回転する。そして、このモータ３１５の回転力がフレキシブルシャフト３１４を介してハウジング３１１に伝達され、ハウジング３１１に取り付けられた静電容量型超音波振動子エレメント３１２が回転し、この静電容量型超音波振動子エレメント３１２から送信される超音波ビームをラジアル走査できるようにしている。

本実施形態の静電容量型超音波振動子エレメント３１２は、図４０に示すような断面構造になっている。

曲面状のメンブレン３２１をその周縁部で固定し、電極３２６を配設した基板３２３を支持する筐体３２０の凹部内には球面形状かこれに近いドーム形状にされた振動可能な薄膜によるメンブレン３２１が配置され、このメンブレン３２１のいずれかの面に、下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が設けられている。

また、メンブレン３２１における周縁部は、筐体３２０の凹部の上部側の開口を塞ぎ、空隙部を形成する蓋板のような平板形状の基板３２３の下面に接着等により固定されている。

基板３２３により閉塞された凹部内に、ドーム形状のメンブレン３２１を配置することにより、凹部は、このドーム形状のメンブレン３２１及び基板３２３とで囲まれた前面空隙部３２４と、メンブレン３２１の背面及び筐体３２０底面側とで囲まれた背面空隙部３２５とが形成される。

本実施形態では、ドーム形状のメンブレン３２１の下面には図４１に示すように、同心で円環形状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が設けられている。なお、図４１は図４０における凹部の背面空隙部３２５側から下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…を見た図を示す。

また、この基板３２３の底面におけるドーム形状のメンブレン３２１の中央付近にその中心が対向するように、円板形状の上部電極３２６が設けてあり、この上部電極３２６及び円環形状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…との間にＤＣバイアス電圧を印加した状態で駆動信号を印加することにより、メンブレン３２１を振動させて超音波を送信する静電容量型超音波振動子エレメント３１２を形成している。

また、基板３２３の上面には、生体３３０側に効率良く超音波を送信すると共に、生体３３０側からの超音波を効率良く受信できるように、音響整合手段として、第１音響整合層３２７と、この第１音響整合層３２７の上面に設けた第２音響整合層３２８とを設けている。

また、硬い基板３２３の底面と前面空隙部３２４の空気層部分との間にも、両者の中間の音響インピーダンスを有する音響整合層３２７１が、この基板３２３の底面に取り付けられた上部電極３２６の表面を覆うようにして設けてある。なお、第１音響整合層３２７及び第２音響整合層３２８は、１層の音響整合層にしても良い。

なお、ドーム形状のメンブレン３２１には、小さな通気孔３２９が数カ所に設けている。

このように本実施形態における静電容量型超音波振動子エレメント３１２においては、ドーム形状のメンブレン３２１の下面に同心状に設けた複数の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…と、前面空隙部３２４を介して基板３２３底面に設けた上部電極３２６とにより、各下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が設けられたメンブレン部分により、実質的に円環形状の静電容量型超音波振動子セル（振動子セルと略記）が形成されるようにしている。

そして、図４０に示すように共通の上部電極３２６と、それぞれ異なる位置の各下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…との間に同位相の駆動信号を印加した場合、メンブレン３２１が略半球状に形成してあるので、駆動信号の印加タイミングをメンブレン３２１上における異なる位置の電極毎にずらさなくても生体３３０側に送信される超音波ビームを集束できる構造にしている。

つまり、本実施形態における静電容量型超音波振動子エレメント３１２は、そのメンブレン３２１部分の形状が構造的に超音波を集束する集束機能を備えていることが特徴となっている。なお、メンブレン３２１の硬さは、曲面を保ちながら振動できる弾性を有し、かつ基板３２３よりも柔らかく設定されている。

このような構成にしたことにより、例えば図４０において下部電極３２２ａが設けられたメンブレン３２１部分から送信された超音波と、下部電極３２２ｂが設けられたメンブレン３２１部分から送信された超音波とは矢印の線で示すように生体３３０側に送信され、生体３３０内における集束点Ｆで集束する。

なお、図４０の２点鎖線３４０で示すように、静電容量型超音波振動子エレメント３１２の第２音響整合層３２８の上面に、薬品等に対する耐性を有するバリレン樹脂のコーティング膜３４０を設けてその内側の静電容量型超音波振動子エレメント３１２全体を保護するようにしても良い。

図４２は、本実施形態を備えた超音波診断装置３０１の制御系の構成を示す。

駆動部３３１からの駆動信号により回転駆動するモータ３３２は、その回転軸に連結されたフレキシブルシャフト３１４を介して図４２では示していないハウジング３１１に取り付けた静電容量型超音波振動子エレメント３１２を回転駆動できるように接続されている。

静電容量型超音波振動子エレメント３１２を構成するドーム状のメンブレン３２１における底面には同心円状に下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が形成されており、下部電極３２２ａ、３２２ｂが形成されたメンブレン部分は、等価的的に同環状に複数の振動子セルを構成している。

これらの下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…は、共通に接続されて送受信切替スイッチ３３３を経て振動子駆動信号を生成するパルサ３３４及び受信信号を増幅するレシーバ３３５に接続されている。なお、上部電極３２６は、グランドに接続される。

また、パルサ３３４及びレシーバ３３５は、それぞれＤＣバイアス制御パルスを発生するＤＣバイアス発生制御回路３３６、３３７と接続されている。そして、これらパルサ３３４、レシーバ３３５及びＤＣバイアス発生制御回路３３６、３３７は、超音波観測装置３０６内の制御回路３３８からの制御信号により、その動作が制御される。

また、超音波観測装置３０６内には、低電圧で送信用のＲＦ信号を発生する送信回路３３９が設けてあり、この送信回路３３９は、制御回路３３８からの制御信号により、所定の周期でパルス状の低電圧のＲＦ信号を発生し、パルサ３３４に出力する。

パルサ３３４には、この低電圧のＲＦ信号が入力されるタイミングより僅かに前となるタイミングでＲＦ信号のパルス幅より僅かに広いパルス幅で低電圧のＤＣバイアス制御パルスが入力される。

そして、このパルサ３３４は、ＤＣバイアス制御パルスにＲＦ信号を加算増幅することにより高電圧のＤＣバイアスパルスに高電圧のＲＦ信号が重畳された振動子駆動信号を生成し、この振動子駆動信号を制御回路３３８からの切替制御信号により切り替えらる送受信切替スイッチ３３３を経て静電容量型超音波振動子エレメント３１２の各下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…に、同時に印加する。

このように本実施形態においては、パルサ３３４からの出力信号は、静電容量型超音波振動子エレメント３１２を構成する各振動子セルに同時に印加される。

この場合、本実施形態ではパルス状の高電圧のＤＣバイアス電圧は、高電圧のＲＦ信号のパルス幅と殆ど同じパルス幅であるので、超音波を送信する繰り返しの周期に比べると非常に短い期間となり、その実効電圧を非常に小さくできるようにしている。

そして、図４０に示したように、各振動子セルに駆動信号を同時に印加した場合、それぞれの振動子セルは超音波を送信し、その際、メンブレン３２１は球面形状かこれに近いドーム形状にしてあるので、生体３３０側において特定の集束点Ｆで集束した音圧の高い超音波ビームとなる。

各振動子セルにより超音波が送信された直後に、制御回路３３８からの切替制御信号により送受信切替スイッチ３３３はレシーバ３３５側と導通するように切り替えられ、振動子セルは、超音波を受信する状態になる。そして、各振動子セルにより受信され、電気信号に変換された受信ＲＦ信号は、レシーバ３３５により増幅される。

この場合にも、各振動子セルは、特定の集束点Ｆからの信号を同時に受信するので、Ｓ／Ｎが良い超音波の受信信号が得られる。

なお、この場合、各振動子セルにＤＣバイアス電圧が印加された入状態で、レシーバ３３５は、受信信号を増幅して低インピーダンスに変換して出力する。

このレシーバ３３５により増幅された受信信号は、Ａ／Ｄ変換回路３４１によりデジタルの受信信号データとなり、静電容量型超音波プローブ本体３０３内のフレキシブルシャフト３１４内を挿通されたケーブル及び駆動ユニット３０４内に挿通されたケーブルを経て超音波観測装置３０６内のデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣと略記）３４２に入力される。

このように静電容量型超音波プローブ本体３０３内等に挿通されたケーブルより伝送される受信信号は、本実施形態においてはデジタル信号にしているので、アナログ信号の場合よりもケーブルによる伝送ロスの影響を受けにくくでき、Ｓ／Ｎの劣化を防止できる。

ＤＳＣ３４２は、入力されたデジタルの受信信号を映像信号に変換して、モニタ３０７に出力し、モニタ３０７の表示面には超音波断層像が表示される。

本実施形態は、以下の効果を有する。

このように本実施形態における静電容量型超音波振動子エレメント３１２においては、ドーム形状のメンブレン３２１に同心状に複数の振動子セルが形成され、これら複数の振動子セルを振動子駆動信号により同時に印加することにより、所定位置で超音波ビームを集束できる。

従って、複数の振動子セルを駆動するタイミングを電気的に調整する遅延回路等を用いることなく、簡単な構成で超音波ビームの強度を大きくできると共に、受信した場合にもＳ／Ｎの良い状態で受信信号が得られる。また、画質の良い超音波断層像を得ることもできることになる。

また、パルサ３３４やレシーバ３３５を複数用意しなくても、単数で済むため、送受信するための回路規模を小さくできると共に、小型化や低コスト化することもできる。

上記実施形態では、メンブレン３２１の底面に同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…、を設けているが、その変形例として例えば渦巻き状に下部電極を形成しても良い。

また、上述の説明では、メンブレン３２１の底面に同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…を図４２に示すように共通に接続して同相の駆動信号により超音波を送信する構成にしているが、同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…を共通化しないで、それぞれ異なるタイミングで駆動できるようにしても良い。

このように構成したことにより、固定焦点を中心に電子的に焦点を再設定できるようにする。

図４３は、変形例における超音波診断装置３０１Ｂの構成を示す。この超音波診断装置３０１Ｂは、静電容量型超音波プローブ３０２Ｂと、超音波観測装置３０６Ｂ及びモニタ３０７とから構成される。

この超音波診断装置３０１Ｂは、図４２の超音波診断装置３０１において、静電容量型超音波振動子エレメント３１２における同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が共通接続されていたものをやめ、それぞれ別々の端子とした静電容量型超音波振動子アレイ３１２Ｂの構造にしている。

この場合には、同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…がそれぞれ別々となっているので、図４２における振動子セルは、実質的に振動子エレメント３５０ａ、３５０ｂ、…に変更された構成となる。

そして、同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が設けられた振動子エレメント３５０ａ、３５０ｂ、…は、切替スイッチ回路３５１の各スイッチ素子を介してパルサ部３５４とレシーバ部３５５に接続されている。パルサ部３５４及びレシーバ部３５５は、振動子エレメント数のパルサ３３４及びレシーバ３３５から構成されている。

また、パルサ部３５４及びレシーバ部３５５には、ＤＣバイアス発生制御回路３３６、３３７からＤＣバイアス制御信号が印加される。

また、超音波観測装置３０６Ｂは、送信回路３３９の送信用のＲＦ信号を送信用遅延部３５７に入力し、送信用遅延部３５７は、制御回路３３８からの補正用の制御信号により複数の遅延回路で送信信号をそれぞれ遅延してパルサ３３４に出力する。

つまり、同心円状の下部電極３２２ａ、３２２ｂ、…が設けられて構成される振動子エレメント３５０ａ、３５０ｂ、…に対して、駆動信号を異なるタイミングで印加できるようにしている。

また、本実施形態では、振動子エレメント３５０ａ、３５０ｂ、…により受信された受信信号は、それぞれレシーバ部３５５のレシーバ３３５を経てＡ／Ｄ変換部３５８の各Ａ／Ｄ変換回路３４１に入力され、Ａ／Ｄ変換される。

Ａ／Ｄ変換されたデジタルの受信信号は、超音波観測装置３０６Ｂ内の受信用遅延部３５９に入力され、制御回路３３８からの制御信号によりそれぞれ遅延量が調整される。そして、遅延された受信信号は、ビーム合成部３４６に入力され、ビーム合成されて１つの受信信号が生成される。

このビーム合成された受信信号は、ＤＳＣ３４２に入力され、映像信号に変換されてモニタ３０７に出力され、モニタ３０７の表示面には超音波断層像が表示される。

本変形例によれば、例えば製造された静電容量型超音波振動子エレメント３１２におけるメンブレン３２１の形状に、ばらつきが存在しても、送信用遅延部３５７や受信用遅延部３５９における遅延量を調整することにより、その特性上のばらつきを吸収できる。

このため、製造する際に許容されるばらつきを大きくでき、製造コストを低減化することができる。

この場合、送信用遅延部３５７や受信用遅延部３５９において、必要とされる遅延量は小さくてすむため、小規模で実現できる。

また、本変形例の構成によると、上記送信用遅延部３５７や受信用遅延部３５９における遅延量を調整することにより、超音波の集束点の位置を変更することもできる。

＜第１２の実施形態＞
次に本発明の第１２の実施形態を図４４Ａ〜図４４Ｃを参照して説明する。第１２の実施形態の静電容量型超音波プローブは、第１１の実施形態において、図３９のハウジング３１１に取り付けられる図４０に示した静電容量型超音波振動子エレメント３１２とは異なる構造の静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃを採用している。

本実施形態における静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃの構造を図４４Ｃに示す。この静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃは、球面状の凹部が形成された硬質のベース３６０の上面にシリコーン樹脂等による可撓性を有する基板３６１が屈曲された状態で接着固定されており、この屈曲された基板３６１の上面には、２次元的に所定間隔等で小さな窪み或いは凹部３６２が形成されている。

シリコーン樹脂としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳと略記）や、ＳＵ−８（マイクロケミカルコーポレーションの商品名）を使用できる。なお、ＰＤＭＳとしては、ＫＥ１０６ＶＥ（信越シリコーン）やＳＩＬＰＯＴ１８４（ダウコーニング）のものを採用できる。

また、この凹部３６２を設けた基板３６１の上面には、それぞれ可撓性を有する下部電極３６３、高分子誘電体膜３６５、上部電極３６６が順次積層化されており、最上面の上部電極３６６の上面は所定の曲率半径Ｒとなる球面形状になっている。

この場合、下部電極３６３に対向する部分により、振動子セル３６７が形成される。

そして、上部電極３６６と下部電極３６３に駆動信号を印加することにより、その間に設けた可撓性の高分子誘電体膜３６５を振動させることにより超音波を発生させることができるようにしている。

本実施形態においても第１１の実施形態と同様に上部電極３６６の上面が球面状にしてあるので、各振動子セル３６７に同時に駆動信号を印加した場合、球面状の超音波の波面が形成され、集束点Ｆで超音波ビームを集束できる構造になっている。

従って、本第１１の実施形態によれば、簡単な構造で超音波を集束できると共に、Ｓ／Ｎの良い超音波受信信号が得られる。

また、超音波断層像を得るための送受信回路の構成を大幅に簡略化できる。

また、本実施形態は、超音波の送信側の面の反対側に、小さな凹部３６２を設けることにより、隣接する振動子セル３６７とのクロストークを低減して、各振動子セル３６７を駆動することができる。また、凹部３６２を設けることにより、音響インピーダンスを、より生体側の値に近くなるように設定することもできる。

図４４Ｃに示す静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃは、図４４Ａ及び図４４Ｂに示す製造工程の説明図に従って製造することができる。

次に図４４Ａ及び図４４Ｂも参照して、この静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃの製造工程を説明する。図４４Ａに示すようにシリコーン樹脂等による可撓性を有する基板３６１により所定間隔で空隙部３６２を形成し、その上面に下部電極３６３を設ける。また、この下部電極３６３の上面に取り付けられるために、それぞれ可撓性を有する高分子誘電体膜３６５、上部電極３６６を順次接着して積層化したものを用意する。

尚、高分子誘電体膜３６５は、高誘電率を示すＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の樹脂に高誘電率無機粉末を分散させたものでも良い。また、基板３６１は、シリコーン樹脂等の可撓性樹脂にタングステン等の超音波ダンピング効果を増加させる混合物を含ませても良い。

次に変形を容易にする手段或いは工程を行う。つまり、屈曲加工し易い状態或いは屈曲加工した状態で固定するために、図４４Ａに示すように高分子誘電体膜３６５と可撓性の基板３６１の底面側には所定間隔等で小さな切り欠き凹部３６４と３６８とをそれぞれを形成する。

そして、図４４Ｂに示すように高分子誘電体膜３６５の底面を可撓性の基板３６１の上面の下部電極３６３に接着剤等により固定した後、図４４Ｃに示すように基板３６１の底面を硬質のベース３６０の球面状の上面に押し付けた状態で接着剤等により固定する。このようにして、図４４Ｃに示すように球面状の静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃを製造することができる。

また、ベース３６０の球面形状の曲率半径が異なるものを採用すれば、集束点Ｆが異なるものを簡単に製造することもできる。

なお、上述の説明では、基板３６１を硬質のベース３６０に固定することにより、静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃを球面状に形成しているが、図４４Ｃのように屈曲した状態で、凹部３６４，３６８に接着剤等の充填物３６９を充填して、球面状に屈曲した状態に固定するようにしても良い。また、これら両方を併用しても良い。なお、球面形状の場合の他に、非球面に変形して固定しても良い。

次に図４５Ａ〜図４５Ｄを参照して第１変形例の静電容量型超音波振動子エレメント１２Ｄの製造方法を説明する。

図４５Ａに示すように硬質の基板３７１の上面に略球面状ないしはこれに近い非球面形状の凹部３７２をざぐり加工等により形成し、この凹部３７２の表面に下部電極３７３及びフォトレジスト３７４の膜を形成する。

次にこの図４５Ａに示すようにこの基板３７１の上面にフォトマスク３７５を配置した状態で、このフォトマスク３７５の上方から平行な光３７６を照射し、フォトレジスト３７４を露光する。

このフォトマスク３７５には、２次元的に所定の間隔等で光を通すフォトマスクパターン光透過部３７７が設けてあり、このフォトマスクパターン光透過部３７７を通った光３７６が照射されたフォトレジスト３７４は、イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）に耐性を有する特性に変化する。

次に、イオンエッチングにより図４５Ｂに示すように露光されていないフォトレジスト３７４、下部電極３７３の他にその下側の基板３７１内に達するまでエッチングして、基板３７１部分に２次元的に所定の間隔等で小さな窪み或いは空隙部３７８を形成する。その後、図４５Ｃに示すように、フォトレジスト３７４を除去する。

次に図４５Ｄに示すように、フォトレジスト３７４が除去された下部電極３７３の上面に、この上面全体を覆うようにして、その上面に上部電極３７９を設けた可撓性シート、具体的にはポリイミド膜等により構成されるメンブレン３８０を接合等により取り付けて、静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｄを製造する。

この場合、メンブレン３８０を構成するポリイミド膜を加熱し、かつ電圧を印加することによりコンベックス状の基板３７１の上面の下部電極３７３にポリイミド膜を接合することができる。

この静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｄは、下部電極３７３が設けられた部分で振動子セル３８１が形成される。

本変形例は、図４４Ｃの静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｃとほぼ同様の作用及び効果を有する。

次に第２変形例の静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｅの構造及びその製造方法を図４６Ａ〜図４６Ｄを参照して説明する。

まず、図４６Ａに示すように渦巻き状の静電容量型超音波振動子本体エレメント（振動子本体エレメントと略記）３９１を製造する。この振動子本体エレメント３９１は、振動子セルを渦巻き方向に沿って細長く形成したものである。

図４６ＡのＡ−Ａ線断面で示すと図４６Ｂのような断面形状となる。図４６Ｂでは内部構造を示していないが、その構造としては、例えば図４４Ｃの振動子セル３６７の断面構造のもの、或いは図４５Ｄの振動子セル３８１の断面構造のものでも良い。

次にこの渦巻き状の振動子本体エレメント３９１を、その上面から例えば底面側が球面状の部材で上側から押し付けて図４６Ｃに示すように変形加工する。つまり、図４６Ｃにおいて２点鎖線で示す変形前の上面形状Ｌ１から点線で示す変形後の上面形状Ｌ２に変形させる。

そして、例えば渦巻きの間の間隙部に接着剤３９８を流し込む等して、図４６Ｄに示すように球面に沿って渦巻き状に配置された静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｅを製造する。

なお、図４６Ｄに示す静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｅは、底面側を接着剤３９８によりベース３９９の球面に固定しているが、接着剤３９８とベース３９９とを接着しない構造にしても良い。

つまり、接着剤３９８により固定する際に接着剤３９８に対して剥離し易い部材で形成したベース３９９を用い、接着剤３９８が固化した後はベース３９９を除去しても良い。

このようにして、製造した渦巻き状の静電容量型超音波振動子エレメント３１２Ｅも、渦巻き状の各部が球面に沿って配置された構造であるので、図４６Ｄに示すように構造的に超音波ビームを集束点Ｆに集束する機能を持つ。

従って、本変形例も、第１２の実施形態とほぼ同様の作用効果を有する。

以上述べた本発明の第１１，第１２の実施形態によれば、静電容量型超音波振動子自体を球面形状等にすることにより、送受信される超音波ビームを構造的に集束できる集束手段を形成し、Ｓ／Ｎの良い受信信号が得られる。

本発明は、静電容量型超音波プローブ及び静電容量型超音波プローブ装置、並びにこれを用いた超音波診断装置のほか、電子内視鏡装置と超音波診断装置を組み合わせて内視鏡画像と超音波画像とを同時的に得るようにした超音波内視鏡診断装置にも応用できることは勿論である。

Claims (8)

1. 基板と、前記基板上に形成した電極と、前記電極上に空隙層を隔てて構成されるメンブレンと、前記電極と前記メンブレンとを、空隙層を介して隔てて構成するためのメンブレン支持部と、前記メンブレン上に形成した電極とからなる静電容量型超音波振動子セルを、前記基板に沿って二次元に配列すると同時に、前記基板に対して垂直方向にも積層配置した構造を有し、
   前記静電容量型超音波振動子セルの前記メンブレン支持部が、１層下の空隙層の中心部に位置する積層構造を有し、
   各層のメンブレン上に形成した電極が一層おきに同電位になるように接続され、
   前記接続によって形成された一対の端子間に駆動用ＲＦ信号とＤＣバイアス信号を重畳した駆動電圧が印加される端子を形成したことを特徴とする静電容量型超音波振動子。
2. 前記メンブレン支持部の脚底部が、メンブレンに対して、空隙層の中心部でのみ接合された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
3. 前記メンブレンの厚さが、下層になるにつれて厚くなることを特徴とした請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
4. 前記基板の面内に沿って二次元に配列された静電容量型超音波振動子セル群を一つの駆動エレメントとし、前記駆動エレメントの周縁部に配置される静電容量型超音波振動子セルの脚底部が下層と線状に接合された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
5. 前記メンブレンが２層目以上の静電容量型超音波振動子セルの前記基板を兼ねており、さらに、
   各層のメンブレン上に形成した下部電極が下層の静電容量型超音波振動子セルの上部電極を兼ねているか又は、
   各層のメンブレン上に形成した上部電極が上層の静電容量型超音波振動子セルの下部電極を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
6. 前記積層型静電容量型超音波振動子セルを前記基板の面内に沿って二次元に配列すると共に、前記基板に対して垂直方向にも積層配置した電極が共通化される駆動単位のものを前記基板に２次元的に配列したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
7. 半導体基板の上面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の上面に第１の電極層を形成する第１のステップと、
   前記第１の電極層の上面に、空洞部形成用の犠牲層を形成する第２のステップと、
   前記犠牲層の上に、空洞部の形成する部分に対応したマスクを２次元的に配列させるように形成する第３のステップと、
   前記マスクを施されていない部分を除去して前記第１の電極層に届く凹部を形成する第４のステップと、
   前記マスクを除去する第４のステップと、
   前記凹部および前記犠牲層を覆う膜を形成する第５のステップと、
   前記膜を貫通し、前記犠牲層に届く孔を形成する第６のステップと、
   前記孔を通じて前記犠牲層を除去する第７のステップと、
   前記膜の上面にメンブレン層を形成する第８のステップと、
   前記メンブレン層の上面に第２の電極層を形成する第９のステップと、
   前記第２の電極層の上に前記第２のステップから第９のステップを２回以上繰り返す第１０のステップと、を含み、
   ２回目以降の前記第３のステップにおいて、マスクを形成する場合に、前記マスクの中央位置を直下層の２つのマスクの間の位置となるようにずらして形成し、
   各層のメンブレン上に形成した電極が一層おきに同電位になるように接続され、
   前記接続によって形成された一対の端子間に駆動用ＲＦ信号とＤＣバイアス信号を重畳した駆動電圧が印加される端子を形成したことを特徴とする積層型静電容量型超音波振動子の製造方法。
8. 前記メンブレン支持部の厚さが、下層になるにつれて厚くなることを特徴とした請求項７に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。

Images