JPH03274899A

JPH03274899A - 超音波変換器

Info

Publication number: JPH03274899A
Application number: JP2074928A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kushida; 恵子櫛田; Hiroyuki Takeuchi; 裕之竹内; Yoshito Nene; 義人禰寝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-03-24
Filing date: 1990-03-24
Publication date: 1991-12-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、超音波診断装置、超音波探査映像装置、超音
波顕微鏡等に使用される薄膜型の超音波変換器に関する
。

〔従来の技術〕

超音波を応用する画像化装置においては、電気と音波を
相互に変換する超音波変換器が重要な役割を果たしてい
る。医療用では主として数ＭＨｚの超音波が使用されて
いるが、体内、血管内へ挿入して微小な領域を高分解能
で見たいという要求も多い。このため、高周波数化が図
られ、最近では３０ＭＨ２のりニアアレイ変換器も実現
されている。

一方、探傷用では、数ＭＨ２からＩＧＨｚに及ぶ広い範
囲の周波数が用途に応じて使用されている。これは、高
周波数化することで分解能が向上する反面、超音波の試
料内での減衰が大きくなって、十分な到達深度が得られ
ないからである。また、探傷用の場合には、一定深度の
面を画像化する場合が多く、従って、走査方式も単一の
センサの機械走査が一般的である。

超音波変換器において、圧電体は、使用する超音波周波
数で厚み共振するように設計される。数十ＭＨｚ以上の
周波数帯では、圧電体の厚さが数十μｍ以下となるため
、圧電体は薄膜プロセスで形成される、この薄膜型の超音波変換器の場合には、薄膜を支える基
板材料として、音響特性、結晶学的整合性を考慮して、
適した材料を選択している。薄膜圧電体としてはＺｎＯ
が広く使用されており、また、基板材料としては、サフ
ァイア（α−ＡＩ、○、）が一般的に用いられている。

この種の変換器については、例えば、固体物理１７巻第
５１〜５７頁において論じられている。

［発明が解決しようとする課題］従来、圧電材料にＲＦパルスを送信して圧電体を励振し
くドライバ）、戻って来たエコーをサンプリング、増幅
する回路を圧電変換部周辺に設ける必要があった。通常
、ドライバ、プリアンプは、ｌｃｉ″程度の素子と　コ
ンデンサから成っており、超音波を送受する圧電変換部
を微細加工技術を駆使して小さくしても、デバイス全体
の大きさを縮小できないという問題があった。これは、
血管等の微小部へ挿入して像が得られるような小型セン
サを形成することを困難にするものである。

また、最近のＩＣ化技術を用いて回路を集積化した場合
でも、上記回路と圧電変換部との間に距離があるとその
間を同軸ケーブル等で接続しなければならず、回路の出
力部にはこのケーブルの容量をドライブする能力が要求
される。このため、回路を構成するトランジスタは、十
分な電流を流せるだけの大きな面積が必要となり、圧電
変換部の縮小に見合うだけの回路面積の低下が期待でき
ないという問題もあった。

更に、多数の微小素子への配線等を行う必要があるが４
これは実装上も困難な問題であり、これによる、実装上
のばらつきの増大も大きな問題であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するとごろは、従来の技術における上述の如き問題を解
消し、血管等の微小部へ挿入して像が得られるような小
型センサを形成するために用い得る超音波変換器を提供
することにある。

また、本発明の他の目的は、信号処理回路部を圧！変換
部の極く近くに設置することにより、損失を減少させる
とともに、実装を簡便にし、素子間の性能のばらつきを
低減させることが可能な超音波変換器を提供することに
ある。

本発明の更に他の目的は、高感度化を図った超音波変換
器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の上記目的は、半導体基板上に、薄膜圧電変換部
とともに該圧電変換部の信号処理回路部を、当該圧電変
換部の極く近くに、パターン配線により接続して設置し
たことを特徴とする超音波変換器、および、該超音波変
換器において、上記薄膜圧電変換部を、微細な素子が多
数アレイ状に配列されて形成されていることを特徴とす
る超音波変換器によって達成される。

［作用］本発明に係る超音波変換器においては、圧電薄膜から超
音波（縦波）を発生させるためのドライバ回路と、試料
から戻った超音波を変換した電気信号を増幅するブリア
゛、プ等の回路部を、半導体基板上に集積して形成して
いるため、圧電変換部と回路部との間の同軸ケーブルに
よる配線が不要となり、出力部の駆動能力を大幅に軽減
することができ、回路を構成するトランジスタ面積が小
さくなる。これにより、占有スペースを格段に小さくす
ることが可能となる。

また、同一半導体基板上に圧電変換部と回路部が形成さ
れ、基板上の配線パターンで接続されているため、ワイ
ヤボンディング等による配線を行う必要がなく、配線に
よる損失が小さくなる。更に、微弱な信号を受信部の近
傍で増幅することかできるので、Ｓ／Ｎが良くなる。

更に、高速撮像を行うために、微小な素子を多数アレイ
状に配列して、電子的走査を行う如く構成した場合にも
、特定の素子を選択するためのマルチプレクサ、ドライ
バ、送受切換え回路、プリアンプ等を、圧電変換部と同
一基板上に形成しているため、デバイス全体が大幅に小
型化される。

なお、これらを接続するための加工が不要であることか
ら、素子間の性能のばらつきを大幅に少なくすることが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を示す超音波変換器の構成
を示す図であり、（ａ）は音響整合層を省いて示す斜視
図、（ｂ）は断面図を示している。図において、１０は
シリコン基板、１１は下部電極、１２はチタン酸鉛（Ｐ
ｂＴｉ○Ｓ）の薄膜、１３は上部電極、１４は音響整合
層、１５はドライバ、プリアンプ、送受分離回路等の回
路部、１６．１６’はポンディングパッド、１７．１７
’はリード線を示している。

本実施例に示す超音波変換器においては、第１図に示す
如く、シリコン基板１０上に、圧電薄膜を励振するため
のドライバ回路、プリアンプ回路、送受分離回路等から
成る回路部１５を形成している。

その後、超音波変換部として、例えば、白金等から成る
下部電極１１をまず形成し、その上に、チタン酸鉛を主
成分とする膜厚１０μｍの薄膜１２を、更に、アルミニ
ウムから成る上部電極１３を順次積層して構成したもの
である。

上記チタン酸鉛を主成分とする薄膜１２は、高周波マグ
ネトロンスパッタ法で形成されたものである。なお、こ
こでは、スパッタ条件は、高周波パワー５０〜２００Ｗ
で、基板温度５００〜６００℃、導入カスとしてはアル
ゴン−酸素（９０％−１０％）混合ガスを用い、ガス圧
を４〜５Ｐａとした。このチタン酸鉛を主成分とする薄
膜は、Ｘ線回折の結果、多結晶膜であることがわかった
。

上部電極１３を形成後、試料を１５０℃に保持して、上
下電極ＩＩ、　１３間に１００Ｖの電圧を１０分間印加
し、分極処理を施した。超音波変換器の上へ、音響整合
層兼保護膜として、厚さ１０μｍの　Ｓｉｎ、膜１４を
ＣＶＤ法で形成した。

次に、上部電極のポンディングパッド１６．１６’から
、ワイヤボンディングによりリード線を引き出した後、
全体を樹脂でモールドし、水中への超音波送波実験を行
った。比較のために、ドライバ。

プリアンプ回路部を別に設けた従来の超音波変換器も構
成し、通常の方法で超音波変換器を励振して、水中の反
射体からのエコーをプリアンプで増幅して検出した。

第２図は、上述の二つの超音波変換器を用いて水中に置
かれた反射体からのエコーを比較して示したものである
。従来の構成による超音波変換器による水中反射体エコ
ー（Ａ）に比べて、本実施例による一体型超音波変換器
では、感度が約６ｄＢ向上するとともに、ノイズか減少
している。これは、圧電変換部と回路部とを近接させ、
パターンによる配線を行っているために、損失が減少し
ているとともに、不要応答を取り込む確率も小さくなり
、感度およびＳ／Ｎ向上につながっていることを示して
いる。

また、従来の、個別素子を用いた電子回路を別基板上に
配置したものでは、大きさが２０〜３０ｍｍ口となって
いたのが、本実施例の変換器では、２ｕ口の大きさとな
った。

次に、本発明の第二の実施例である超音波アレイ変換器
の構成について、第３図を用いて説明する。（ａ）は音
響整合層を省いて示す斜視図、（ｂ）は断面図を示して
いる。本実施例に示す超音波アレイ変換器は、素子数３
６０のアレイ変換器である、図において、記号１０〜＋
５（１５−１−１５−ｎ）は、第１図に示したと同じ構
成要素を示している。また、２１は特定の素子を選択す
るためのマルチプレクサ、２２−１〜２２−ｎは個別素
子を示している。

本実施例に示す超音波アレイ変換器は、横５ｍｍ×縦２
５ｍｍのシリコン基板１０上に、マルチプレクサ２１、
ドライバ、プリアンプ、送受分離回路等の回路部１５を
配列し、その後、超音波変換部として、白金等から成る
下部電極ＩＩ、チタン酸鉛を主成分とする薄膜１２．ア
ルミニウムから成る上部電極１３を第一の実施例と同様
の方法で順次積層して構成して、更に、回路部１５との
位置合わせを行って、フォトリソグラフィーにより、幅
５０μｍ、ギャップ５μｍ、素子数３６０のレジストパ
ターンを形成し、上部電極、チタン酸鉛薄膜を順次エツ
チングして、アレイ状の超音波変換素子群２２−１〜２
２−ｎを形成したものである。なお、最後に音響整合層
を形成して、本実施例に示す超音波アレイ変換器が完成
することになる。

本実施例に示す超音波アレイ変換器は、前述の如く、５
　ｍｍ　Ｘ　２５ｍｍの大きさの中に３６０チヤネルを
収容することが可能である。これを、従来の、個別素子
を用いた電子回路を別基板上に配置する方式で作成した
場合には、大きさが１００　Ｘ　１００ｍｍ口以上とな
っていたものである。

しかも、本実施例による超音波アレイ変換器では、ノイ
ズレベルが低く抑えられている。これは前述の如く、圧
電変換部と回路部とを近接させ、パターンによる配線を
行っているためである。

また、超音波アレイ変換器においては、各素子の特性ば
らつきが画質に大きな影響を及ぼすが、上記実施例に示
した超音波アレイ変換器においては、ばらつきの原因で
あるパッケージング、ボンディングが不要となることか
ら、上述の如きばらつきはなくなり、感度の均一性が向
上した。

一方、超音波アレイ変換器においては、各素子のピッチ
および素子幅は、サイドローブが少ない超音波ビームを
形成する必要から、その値が決定される。これに関して
は、上記実施例に示した超音波アレイ変換器においては
、回路部１５を、素子２２−１〜２２−ｎの両側に、交
互に配置することによって、スペースの有効利用を可能
としている。

第４図に、上記実施例に示した超音波アレイ変換器の素
子のうちの１６素子を用いて、各素子に少しずつ位相の
異なる信号を与えて励振した超音波ビームプロファイル
を示した。−６ｄＢでのビーム幅は約４０μｍでこれは
計算値と一致した。このようにして形成された超音波ビ
ームは、使用するアレイ素子エレメントを１つずつずら
すことで、電子的走査を行うことができる。

次に、本発明の第三の実施例である超音波薄膜アレイ変
換器について、第５図により説明する。

（ａ）は音響整合層を省いて示す斜視図、（ｂ）は断面
図を示している９図において、記号１０〜１５（１５１
〜ｌ５−ｎ）、２１．２２−１〜２２−ｎは、第１図お
よび第３図に示したと同じ構成要素を示している。また
、３１は後述する複合共振モードのための、シリコン基
板１０に設けられた溝、３２は該溝３１内に充填された
バッキング材を示している。

本実施例に示す超音波薄膜アレイ変換器は、シリコン基
板１０を異方性エツチング等の方法によって裏面から研
削して、圧電薄膜１２を形成する部分のシリコン基板を
薄く加工し、薄膜１２と基板１０とが一体となって共振
する複合共振モードを利用するものである。

本実施例に示す超音波薄膜アレイ変換器においては、横
１０ｍｍＸ縦４０ｍｍ、厚さ３００μｍのシリコン基板
の片面に、第二の実施例に示したと同様の方法で、回路
部＋５−１−１５−ｎおよび超音波変換素子２２−１〜
２２−ｎを形成する。次に、これらの素子形成部を樹脂
で保護した後、裏面にレジストパターンを形成して、水
酸化カリウム水溶液でシリコン基板の異方性エツチング
を行い、溝部３１を形成した。また、チタン酸鉛薄膜１
２の膜厚を５μｍ、溝部３１の基板の厚さを２０μｍ、
１素子の幅を９０μｍ、ギャップを１０μｍとした。

まず、単一の素子を励振して、その波形を調べた。第６
図にその波形を示した。この結果は、振動の尾引きが若
干長くなってはいるものの、周波数は約１００ＭＨ２で
あり、高周波数の振動子を得ることができる。なお、こ
れは、薄膜と基板全体が一体となって共振するモード（
複合共振モード）に対応しているものである。複合共振
モードを利用する超音波変換器に関しては、本出願人に
よる米国特許筒４，８０３，３９２号（特願昭６１−２
２５９３５号、特開昭６３−８２１００号に対応）に開
示された技術を有効に応用することが可能である。

次に、超音波変換部に音響整合層１４を形成し、シリコ
ン基板の溝部３１にバッキング材３２を充填した。この
超音波変換器を用いて、第二の実施例と同様に、１６素
子を用いて超音波ビームを形成したところ、やはり、収
束ビームが得られ、そのビーム幅は約８０μｍであった
。また、シリコン基板の溝部３１にバッキング材３２を
充填していないものと比較して、ビームの尾引きがかな
り短くなるという効果が得られた。

この超音波変換器の大きさは、前述の如く、ｌＯａｍ　
Ｘ　４０ｍｍ程度の大きさであり、従来の、個別素子を
用いた電子回路を別基板上に配置する方式で作成した場
合には、大きさが＋００　Ｘ　１００＋＋＋ｍ口以上と
なっていたものである。

なお、上記バッキング材としては、例えば、エポキシ樹
脂等が有効であり、特に充填材を加えたエポキシ樹脂が
有効である。

上述の、第三の実施例に示した超音波薄膜アレイ変換器
の改良型として、更に高感度で超音波を送受信できる構
造を、第７図に示した。第７図の（ａ）には、その断面
構造を示している。前述の各実施例においては、チタン
酸鉛を主成分とする薄膜は、無配向の多結晶体として形
成されている、しかし、チタン酸鉛は、その結晶のＣ軸
方向の厚み振動の圧電性が特に高いので、Ｃ軸配向膜を
形成することにより、高感度化が達成される。

このために、本実施例においては、シリコン基板１０上
の、超音波変換素子形成部分に、０．２〜０．３μｍピ
ッチの微細な鋸歯状グレーティング４１を形成したもの
である。以下、その詳細を説明する。

上述の、サブミクロンピッチの鋸歯状グレーティング４
１は、レーザーホログラフィ露光技術とシリコンの異方
性エツチング技術を用いて形成したものである。この場
合、アレイの素子に相当する部分のみに上記グレーティ
ング４１を形成し、他の部分は平坦なままとした。この
基板を熱酸化してグレーティング１１４１が、Ｓｉｎ、
で覆われるようにした後、第二、第三の実施例に示した
と同様の手順で、電子回路部１５−１〜１５−ｎを形成
した。

その後、グレーティング形成面に、電子ビーム蒸着によ
り、白金膜を形成し、熱処理を行った。

白金は　ｆ、ｃ、ｃ、構造の結晶であるので、平板上で
は、容易に（１１１）配向する。この白金を７０．５度
の角度を以って相対する鋸歯状グレーティング４１上に
形成すると、各々の面に（１１１）配向するため、見掛
は上、（１００）配向膜が形成される。

この状況を第７図（ｂ）、（ｃ）に示した。

上述の如く形成した（１００）白金膜上に、高周波マグ
ネトロンスパッタ法により、チタン酸鉛を主成分とする
薄膜１２を形成した。この薄膜をＸ線回折により評価し
たところ、（ＯＯＱ）（Ｑ＝１．２．３）回折線のみが
検出された。従って、このチタン酸鉛を主成分とする薄
膜工２は、Ｃ軸配向していることが明らかになった。更
に、上部電極１３を形成して、アレイ状にパターニング
することによって、超音波変換部が形成された。

次に、この超音波変換部を樹脂で保護した後、第三の実
施例と同様に、シリコン基板を裏側からエツチングした
。そして、これらの素子のうちの１つを先程と同電圧で
励振し、感度を比較したところ、ｌｏｄ　８以上の感度
向上が達成された。複合共振としての実効的な電気機械
結合係数ｋｅｆｆも０．３５と充分大きかった。これは
、チタン酸鉛をＣ軸配向させて形成したことで、圧電性
が大きく向上したことを示すものである。

上記実施例に示した、グレーティングを利用した結晶成
長法は、第一、第二の実施例に示した厚み共振モードの
超音波変換器においても、利用することが可能であるこ
とは言うまでもない。グレーティングを利用した結晶成
長法を利用する超音波変換器に関しては、本出願人によ
る米国特許筒４．６７７．３３６号（特願昭６０−１９
４４６号、特開昭６１−１７７９００号に対応）に開示
された技術を有効に応用することが可能である。

次に、本発明の他の実施例として、血管等の微細な部分
を観察するための針先セ〉・すについて、第８図により
説明する。

（ａ）は側断面図、（ｂ）は要部平面図を示している。

透明ナイロンまたはポリ４−メチルペンテン等で構成さ
れた細管５１の内部に、シリコン基板１０が設置され、
この上に超音波アレイ変換部２２および電子回路部１５
が一体化されて形成されている。

超音波は、減衰の少ない充填材１４を通過して窓部５２
から放射される。

本実施例においても、超音波アレイ変換部２２を他の電
子回路部１５と一体化したことで、大幅に小型化が図ら
れている。全体の大きさは、２ｍｍφとなっており、本
装置を血管内に挿入して、血管内の狭窄部を調べること
が可能になる。

上記各実施例は、本発明の一例を示したものであり、本
発明はこれらに限定されるべきものではないことは言う
までもない。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した如く、本発明によれば、半導体基
板上に、薄膜圧電変換部とともに該圧電変換部の信号処
理回路部を、当該圧電変換部の極く近くに、パターン配
線により接続して設置したことにより、血管等の微小部
へ挿入して像が得られるような小型センサを形成するた
めに用い得る超音波変換器を実現することができ、また
、実装を簡便にし、高感度で、かつ、素子間の性能のば
らつきを低減させることが可能な超音波変換器を実現で
きるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す超音波変換器の構成を
示す図、第２図は第１図に示した変換器と従来型の変換
器との検出二ロー波形の比較図、第３図は本発明の第二
の実施例を示す構成図、第４図は第３図に示した変換器
を用いて形成した超音波ビームのプロファイル、第５図
は本発明の第三の実施例を示す構成図、第６図は第５図
に示した変換器の検出エコー波形図、第７図は本発明の
他の実施例を示す要部構成図、第８図は本発明の更に他
の実施例を示す要部構成図である。１０、シリコン基板、１１・下部電極、１２　　チタン
酸鉛の薄膜、１３二上部電極、１４：音響整合層、１５
：回路部、１６．１６’　：ボンディングパッド、１７
．１７リード線、２１．マルチプレクサ、２２：個別超
音波変換素子、３１　　溝、３２：パッキング材、４１
．鋸歯状グレーティング、５１：細管、５２：窓部。（ａ）第 ■ 図第２図一一一→− ０ｎｓ第図中心からの距離（ｒｒｍ　）第図ｆａ）第図（ａｌ１２第６図ｏｎ　ｓ第図ｆａ）（ｂ）（１１１） ↑ （ｃ）（１００）

Claims

【特許請求の範囲】

１．半導体基板上に、薄膜圧電変換部とともに該圧電変
換部の信号処理回路部を、当該圧電変換部の極く近くに
、パターン配線により接続して設置したことを特徴とす
る超音波変換器。
２．前記半導体基板が、シリコン基板であることを特徴
とする請求項１記載の超音波変換器。
３．前記圧電変換部に、チタン酸鉛を主成分とする薄膜
が形成されていることを特徴とする請求項１または２記
載の超音波変換器。
４．前記薄膜圧電変換部は、微細な素子が多数アレイ状
に配列されて形成されていることを特徴とする請求項１
〜３のいずれかに記載の超音波変換器。
５．前記信号処理回路部を、前記薄膜圧電変換部の両側
に交互に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいず
れかに記載の超音波変換器。
６．前記半導体基板の前記薄膜圧電変換部の裏面側に、
溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれかに記載の超音波変換器。
７．前記半導体基板裏面側の溝に、超音波吸収材が充填
されていることを特徴とする請求項６記載の超音波変換
器。
８．前記半導体基板の圧電変換部下層部に、鋸歯状のグ
レーティングが形成され、該グレーティング上に、金属
膜から成る電極と、チタン酸鉛を主成分とする薄膜から
成る圧電変換部が形成されていることを特徴とする請求
項１〜７のいずれかに記載の超音波変換器。