WO2016006671A1 - 超音波センサー及びその製造方法 - Google Patents

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    • A61B8/4488—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer the transducer being a phased array

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor and a manufacturing method thereof.
  • the piezoelectric material forming the piezoelectric layer in order to control transmission sensitivity and reception sensitivity, the piezoelectric material forming the piezoelectric layer must be changed. That is, when preparing an element dedicated for reception and an element dedicated for transmission, it is very difficult to arrange elements of different piezoelectric materials. In addition, when the piezoelectric material is unified, the size of the opening can be changed to adjust the transmission / reception sensitivity. However, changing the size of the opening will change the resonance frequency, which is practically used. There was a problem that it would be difficult.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is to provide an ultrasonic sensor in which elements having different transmission / reception sensitivities coexist without changing the specification of the resonance frequency, and a method for manufacturing the same.
  • An aspect of the present invention that solves the above problems includes a substrate having at least one opening, a diaphragm provided on the substrate so as to close the opening, and the opening of the diaphragm opposite to the opening.
  • a plurality of first electrodes provided in a line in the Y direction and extending in the X direction orthogonal to the Y direction;
  • a plurality of second electrodes provided on the opposite side of the diaphragm from the opening and arranged in the X direction and extending in the Y direction, and at least the first electrode and the second electrode intersect.
  • an ultrasonic sensor comprising a plurality of piezoelectric layers provided between the first electrode and the second electrode, wherein in the Z direction orthogonal to the X direction and the Y direction, the first sensor A portion where one electrode, the piezoelectric layer and the second electrode overlap is defined as an active portion, and a region where the diaphragm can vibrate by driving the active portion is defined as a movable portion.
  • a unit composed of the active part provided in the one movable part as one ultrasonic element, in plan view, two or more types of superstructures having different areas of the active part with respect to the area of the movable part Equipped with acoustic wave elements In ultrasonic sensor, characterized in that said.
  • the change in the resonance frequency can be suppressed to a very small value. That is, it is possible to suppress a difference in resonance frequency between elements having different active area areas. Therefore, it is possible to easily realize an ultrasonic sensor having an ultrasonic element having the same resonance frequency specification and optimized for reception and transmission.
  • the area of the opening corresponding to the ultrasonic element is substantially the same, and the area of the piezoelectric layer corresponding to one opening is the same, corresponding to one opening. It is preferable that the area of one of the first electrode and the second electrode is different. According to this, it is possible to obtain an ultrasonic element optimized for reception only and transmission only without greatly modifying the manufacturing process.
  • the plurality of second electrodes have different widths. According to this, it is not necessary to modify the basic manufacturing process of the ultrasonic element, and in the process of forming the second electrode, the patterning of the second electrode is performed in the area of the transmission dedicated element and the area of the reception dedicated element. In this case, it is possible to obtain an ultrasonic element optimized for reception only and transmission only by changing the width of the second electrode. Therefore, an ultrasonic sensor having an ultrasonic element optimized for reception only and transmission only can be obtained very easily.
  • the width of the second electrode is different in the X direction. According to this, it is possible to more easily form an ultrasonic element in which elements for reception and transmission are optimally arranged.
  • the plurality of piezoelectric layers are made of substantially the same piezoelectric material. According to this, it is possible to obtain an ultrasonic element optimized for reception only and transmission only without changing the piezoelectric material.
  • the substantially same material does not include impurities inevitably or naturally mixed therein.
  • Such an impurity component is preferably 3% or less, and more preferably 1% or less.
  • a diaphragm is formed on a substrate, and a plurality of first electrodes extending in the X direction orthogonal to the Y direction are formed on the diaphragm so as to be aligned in the Y direction.
  • a piezoelectric layer is formed on one electrode, a second electrode layer is formed on the diaphragm on which the first electrode and the piezoelectric layer are formed, and the piezoelectric layer and the second electrode layer are patterned. Then, a plurality of the piezoelectric layers and second electrodes extending in the Y direction are formed so as to be aligned in the X direction, and at least one opening is formed on the surface of the substrate opposite to the diaphragm.
  • a method of manufacturing an ultrasonic sensor wherein a portion where the first electrode, the piezoelectric layer, and the second electrode overlap in the X direction and the Z direction orthogonal to the Y direction is defined as an active portion.
  • An area where the diaphragm can vibrate by driving the active part is defined as a movable part.
  • the unit composed of one movable part and the active part provided in the one movable part is a single ultrasonic element
  • the piezoelectric layer and the second electrode layer are patterned.
  • the ultrasonic sensor is characterized in that only the second electrode layer is further patterned to form two or more types of ultrasonic elements in which the area of the active part is different from the area of the movable part in plan view. It is in the manufacturing method.
  • the area of the ultrasonic element dedicated for transmission and the area of the ultrasonic element dedicated for reception By simply changing the area (for example, the width of the second electrode), it is possible to manufacture an ultrasonic element optimized for transmission and reception only, and improve the performance of transmission and reception.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the ultrasonic device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a configuration example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • the expansion perspective view which shows the structural example of an ultrasonic element array.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a schematic configuration of the ultrasonic sensor element according to the first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view of an ultrasonic sensor element according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a plan view illustrating a schematic configuration of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view illustrating a manufacturing example of the ultrasonic sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view showing a manufacturing example of an ultrasonic sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view of an ultrasonic sensor according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view of an ultrasonic sensor according to a fourth embodiment.
  • the perspective view which shows an example of an ultrasound diagnosing device.
  • the perspective view which shows an example of an ultrasonic probe.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of an ultrasonic device equipped with an ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the ultrasonic probe I was pulled out from a CAV surface type ultrasonic sensor 1, a flexible printed circuit board (FPC board 2) connected to the ultrasonic sensor 1, and an apparatus terminal (not shown). Filled between the cable 3, the FPC board 2 and the relay board 4 that relays the cable 3, the ultrasonic sensor 1, the casing 5 that protects the FPC board 2 and the relay board 4, and the casing 5 and the ultrasonic sensor 1
  • the water-resistant resin 6 is provided.
  • Ultrasonic waves are transmitted from the ultrasonic sensor 1. Further, the ultrasonic wave reflected from the measurement object is received by the ultrasonic sensor 1. Based on these ultrasonic waveform signals, information (position, shape, etc.) on the measurement object is detected at the apparatus terminal of the ultrasonic probe I.
  • the ultrasonic sensor 1 can ensure high reliability as will be described later. Therefore, it becomes an ultrasonic device excellent in various characteristics by mounting the ultrasonic sensor 1.
  • the present invention includes a transmission-only type optimized for ultrasonic transmission, a reception-only type optimized for ultrasonic reception, a transmission / reception integrated type optimized for ultrasonic transmission and reception, and the like. It can be applied to any ultrasonic sensor 1.
  • the ultrasonic device on which the ultrasonic sensor 1 can be mounted is not limited to the ultrasonic probe I.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the ultrasonic sensor
  • FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a configuration example of the ultrasonic element array
  • 4 is a plan view of the ultrasonic sensor element constituting the ultrasonic sensor according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the lines AA ′ and BB ′
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ and a cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG.
  • the ultrasonic sensor 1 includes an ultrasonic element 10, an acoustic matching layer 30, a lens member 31, and a surrounding plate 40.
  • the ultrasonic element 10 includes a substrate 11, a diaphragm 50, and a piezoelectric element 17.
  • the surrounding plate 40 and the support member 41 are shown as separate bodies, but actually both are integrally formed.
  • the substrate 11 is along the XY plane.
  • the X axis is referred to as the first direction X
  • the Y axis is referred to as the second direction Y
  • the Z axis orthogonal to both the first direction X and the second direction Y is referred to as the third direction Z.
  • a plurality of partition walls 19 are formed on the substrate 11.
  • a plurality of spaces 20 are partitioned by the plurality of partition walls 19 along the first direction X and the second direction Y.
  • the space 20 is formed so as to penetrate the substrate 11 in the third direction Z.
  • the spaces 20 are two-dimensional, that is, a plurality of spaces 20 are formed in the first direction X and a plurality of spaces 20 are formed in the second direction Y.
  • the arrangement and shape of the space 20 can be variously modified.
  • the space 20 may be formed in a one-dimensional shape, that is, along one of the first direction X and the second direction Y.
  • the space 20 may have a rectangular shape when viewed from the third direction Z (the length ratio between the first direction X and the second direction Y is other than 1: 1).
  • the diaphragm 50 is provided on the substrate 11 so as to close the opening 18 formed by the space 20.
  • the surface on the substrate 11 side of the diaphragm 50 is referred to as a first surface 50a
  • the surface facing the first surface 50a is referred to as a second surface 50b.
  • the diaphragm 50 includes an elastic film 12 formed on the substrate 11 and an insulator film 13 formed on the elastic film 12.
  • the elastic film 12 forms the first surface 50a
  • the insulator film 13 forms the second surface 50b.
  • the ultrasonic element 10 of the present embodiment is formed on, for example, an elastic film 12 made of a silicon dioxide film and an insulator film 13 made of zirconium oxide provided on one surface of a substrate 11 made of a silicon substrate.
  • the piezoelectric element 17 is composed of a first electrode 14, a piezoelectric layer 15, and a second electrode 16.
  • An opening 18 is formed in a region corresponding to the piezoelectric element 17 of the substrate 11, and a space 20 that forms the opening 18 is partitioned by a partition wall 19.
  • the substrate 11 may be a silicon single crystal substrate, for example, but is not limited to this.
  • the diaphragm is composed of the elastic film 12 made of silicon dioxide and the insulator film 13 made of zirconium oxide or the like.
  • the diaphragm is not limited to this. A film may be used.
  • a first electrode 14 On the insulator film 13, a first electrode 14, a piezoelectric layer 15 that is a thin film having a thickness of 3 ⁇ m or less, preferably 0.3 to 1.5 ⁇ m, and a second electrode, with an adhesion layer as necessary.
  • a piezoelectric element 17 including the electrode 16 is formed.
  • the piezoelectric element 17 refers to a portion including the first electrode 14, the piezoelectric layer 15, and the second electrode 16, and a region sandwiched between the first electrode 14 and the second electrode 16 is referred to as an active portion.
  • the piezoelectric element 17 when the piezoelectric element 17 is driven, one of the electrodes is a common electrode and the other electrode is an individual electrode, but the ultrasonic element 10 is driven for each of the plurality of ultrasonic elements 10, Since scanning is performed, it is not realistic to distinguish one of them as a common electrode and the other as an individual electrode.
  • the ultrasonic elements 10 when the ultrasonic elements 10 are arranged one-dimensionally or two-dimensionally in parallel, the first electrode 14 is provided so as to extend in one direction, and the second electrode 16 is orthogonal to the one direction. Only a predetermined piezoelectric element 17 can be driven by applying a voltage between the first electrode 14 and the second electrode 16 selected as appropriate.
  • a predetermined piezoelectric element 17 when a predetermined piezoelectric element 17 is selected, it is generally performed by selecting one row or a plurality of rows as one group and driving.
  • the first electrode 14 is shared by four rows being bundled. This is tentatively called one channel, and a plurality of channels are provided in the first direction X.
  • the second electrodes 16 are continuously provided in a row along the first direction X, and a plurality of rows are provided along the second direction Y.
  • the piezoelectric elements 17 in one channel are shared by the second electrode 16 and sequentially driven for each group, and each channel is sequentially driven, XY Two-dimensional data of directions can be acquired.
  • the piezoelectric element 17 and the elastic film 12 and the insulator film 13 which are the diaphragm 50 that is displaced by driving the piezoelectric element 17 are collectively referred to as an actuator device.
  • the elastic film 12 and the insulator film 13, the adhesion layer provided as necessary, and the first electrode 14 act as the diaphragm 50, but are not limited thereto.
  • the diaphragm 50 may not be provided, and the piezoelectric element 17 itself may substantially function as the diaphragm 50.
  • the piezoelectric element 17 is a portion where the first electrode 14, the piezoelectric layer 15 and the second electrode 16 overlap in plan view, and the piezoelectric layer 15 is sandwiched between the first electrode 14 and the second electrode 16.
  • the region is referred to as an active part.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 also function as a diaphragm 50 that closes the opening 18, and a region corresponding to the opening 18 of the diaphragm 50 is a diaphragm.
  • Reference numeral 50 denotes a region that can be vibrated by driving the piezoelectric element 17, and this is referred to as a movable portion.
  • the active portion and the opening portion 18 correspond one-to-one, but a plurality of active portions may be included in one opening portion 18 in plan view. In this case, if a region where the diaphragm 50 can vibrate in the opening 18 is limited by providing a columnar partition that suppresses vibration of the diaphragm 50 between adjacent active parts, the active part substantially It is possible to make one-to-one correspondence with the movable part.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 are not limited as long as they have conductivity.
  • the material is not limited.
  • a composite oxide having a perovskite structure based on lead zirconate titanate (PZT) is typically used. According to this, it becomes easy to ensure the displacement amount of the piezoelectric element 17.
  • the piezoelectric layer 15 may be made of a lead-free composite oxide, for example, a composite oxide having a perovskite structure including at least bismuth (Bi), barium (Ba), iron (Fe), and titanium (Ti). According to this, the ultrasonic element 10 is realizable using the lead-free material with little load to an environment.
  • a lead-free composite oxide for example, a composite oxide having a perovskite structure including at least bismuth (Bi), barium (Ba), iron (Fe), and titanium (Ti).
  • Such a perovskite structure that is, the A site of the ABO 3 type structure has 12 coordinated oxygen, and the B site has 6 coordinated oxygen to form an octahedron.
  • the piezoelectric layer 15 that does not contain lead, Bi, Ba, and Li are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site.
  • the composition formula is represented as (Bi, Ba) (Fe, Ti) O3. It is expressed as a mixed crystal with barium titanate. Such a mixed crystal is an X-ray diffraction pattern in which bismuth ferrate or barium titanate cannot be detected alone. A composition deviating from the composition of the mixed crystal is also included.
  • the composite oxide having a perovskite structure includes those that deviate from the stoichiometric composition due to deficiency / excess, and those in which some of the elements are replaced with other elements. That is, as long as a perovskite structure can be obtained, not only inevitable compositional shift due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc., but also partial substitution of elements is allowed.
  • the structure of the composite oxide having the perovskite structure is not limited to the above example, and may include other elements.
  • the piezoelectric layer 15 preferably further contains manganese (Mn). According to this, it becomes easy to suppress the leakage current, and for example, the ultrasonic element 10 with high reliability can be realized as a lead-free material.
  • Bi of the A site of the piezoelectric layer 15 may be replaced with lithium (Li), samarium (Sm), cerium (Ce), etc., and Fe of the B site is replaced with aluminum (Al), cobalt (Co), or the like. You may make it replace. According to this, it is easy to diversify configurations and functions by improving various characteristics. Even in the case of a complex oxide containing these other elements, it is preferably configured to have a perovskite structure.
  • the ultrasonic sensor 1 of the present embodiment has the ultrasonic elements 10 arranged two-dimensionally in a first direction X and a second direction Y perpendicular to the first direction X.
  • the first direction X is the scan direction
  • the second direction Y is the slice direction.
  • sensing in the slice direction is continuously performed in the scan direction by driving in each column extending in the slice direction while scanning in the scan direction, that is, transmitting and receiving ultrasonic waves. Can be obtained.
  • the functions are separated for reception only and transmission only for each column extending in the first direction X. That is, as shown in FIG. 7, the width of the piezoelectric layer 15 and the second electrode 16A are the same in the center row, but the width of the second electrode 16B is the width of the piezoelectric layer 15 in the rows on both sides. It is getting smaller. The width of the opening 18 and the width of the piezoelectric layer 15 are the same, and the second electrode 16B is formed narrower than the second electrode 16A.
  • the movable portion when the piezoelectric element 17 is driven corresponds to the area of the opening 18, and the piezoelectric layer 15 is sandwiched between the first electrode 14 and the second electrode 16.
  • the area of the active part is different between the central piezoelectric element 17A and the piezoelectric elements 17B on both sides, and the area of the active part is smaller on both sides.
  • the transmission characteristic is proportional to the excluded volume v due to the displacement of the movable part based on the driving of the active part, and the excluded volume v is proportional to the area S of the active part. That is, the larger the area S of the active part, the better the transmission characteristics.
  • the reception characteristic is evaluated by a voltage generated by reception.
  • the electrostatic capacity C decreases as the area S of the active portion decreases. That is, when the width of the second electrode 16 is reduced, the reception characteristics are improved, but the transmission characteristics are deteriorated.
  • the central piezoelectric element 17A is dedicated for transmission, and the piezoelectric elements 17B on both sides are functioned exclusively for reception.
  • both transmission characteristics and reception characteristics can be improved.
  • the area of the active part is different between the element dedicated to reception and the element dedicated to transmission, the area of the movable part is the same, so the difference in resonance frequency between them is very small. Therefore, transmission / reception can be efficiently performed without changing the specification of the resonance frequency between the element dedicated for reception and the element dedicated for transmission.
  • FIGS. show each process, and are each composed of a plan view, a sectional view taken along line bb ′ and a sectional view taken along line cc ′.
  • a zirconium film is formed on the elastic film 12 and thermally oxidized in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C., for example.
  • An insulator film 13 made of zirconium oxide is formed.
  • the first electrode 14 is formed on the insulator film 13 by sputtering, vapor deposition, or the like, and is patterned so that the first electrode 14 has a predetermined shape.
  • the piezoelectric layer 15 is laminated on the first electrode 14.
  • the piezoelectric layer 15 is formed using, for example, a CSD (Chemical Solution Deposition) method in which a solution in which a metal complex is dissolved / dispersed in a solvent is applied, dried, and then fired at a high temperature to obtain a piezoelectric material made of a metal oxide.
  • the method is not limited to the CSD method, and for example, a sol-gel method, a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like may be used. .
  • a first second electrode 16a is formed on the piezoelectric layer 15 by sputtering or thermal oxidation, and as shown in FIG. 11, the first second electrode 16a and The piezoelectric layer 15 is patterned for each piezoelectric element.
  • the second second electrode 16b is provided in the same manner as the first second electrode 16a.
  • the first second electrode 16a and the second second electrode 16b are provided.
  • the two electrodes 16b are patterned, divided into columns in the second direction Y, and continuous in the first direction X for each column.
  • the second electrode 16A is wide and has the same width as that of the piezoelectric layer 15, and in both rows, the second electrode 16B is narrow.
  • a transmission-only piezoelectric element 17A having a wide second electrode 16A and a reception-only piezoelectric element 17B having a narrow second electrode 16B are formed.
  • a protective film is formed and patterned, and then an opening is formed to form the ultrasonic sensor 1.
  • the transmission-only piezoelectric element 17A and the reception-only piezoelectric element 17B can be manufactured simply by changing the patterning of the second second electrode 16b at the end of the manufacturing thin film process of the ultrasonic sensor 1. Each performance can be improved.
  • FIG. 14 to FIG. 19 show each process, and each includes a plan view, a sectional view taken along line bb ′ and a sectional view taken along line cc ′.
  • the second electrode 16 is a common electrode.
  • the first electrode 14 is a common electrode.
  • a zirconium film is formed on the elastic film 12 and thermally oxidized in a diffusion furnace at 500 to 1200 ° C., for example.
  • An insulator film 13 made of zirconium oxide is formed.
  • the first electrode 14 is formed on the insulator film 13 by sputtering, vapor deposition, or the like, and is patterned so that the first electrode 14 has a predetermined shape.
  • the piezoelectric layer 15 is laminated on the first electrode 14.
  • the piezoelectric layer 15 is formed using, for example, a CSD (Chemical Solution Deposition) method in which a solution in which a metal complex is dissolved / dispersed in a solvent is applied, dried, and then fired at a high temperature to obtain a piezoelectric material made of a metal oxide.
  • the method is not limited to the CSD method, and for example, a sol-gel method, a laser ablation method, a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), a CVD method, an aerosol deposition method, or the like may be used. .
  • a first second electrode 16a is formed on the piezoelectric layer 15 by sputtering or thermal oxidation, and as shown in FIG. 17, the first second electrode 16a and The piezoelectric layer 15 is patterned for each piezoelectric element.
  • the second second electrode 16b is provided in the same manner as the first second electrode 16a.
  • the first second electrode 16a and the second second electrode 16b are provided.
  • the two electrodes 16b are patterned, divided into columns in the second direction Y, and continuous in the first direction X for each column.
  • the second electrode 16A is wide and has the same width as that of the piezoelectric layer 15, and in both rows, the second electrode 16B is narrow.
  • a transmission-only piezoelectric element 17A having a wide second electrode 16A and a reception-only piezoelectric element 17B having a narrow second electrode 16B are formed.
  • a protective film is formed and patterned as necessary, and then an opening 18 is formed to form the ultrasonic sensor 1A.
  • the transmission-only piezoelectric element 17A and the reception-only piezoelectric element 17B can be manufactured by simply changing the patterning of the second second electrode 16b at the end of the ultrasonic sensor manufacturing thin film process. The performance of each can be improved.
  • FIG. 20 shows an ultrasonic sensor 1B of the third embodiment.
  • the second electrode 16 and the second electrode 16 are electrically connected by the groove 21 instead of removing a portion where the second electrode 16 is not necessary.
  • discontinuous electrodes 22 that are discontinuous. Then, the formation position of the groove 21 is changed so that the wide second electrode 16A is formed in the central column in the vertical direction, the narrow second electrode 16B is formed on both sides in the vertical direction, and the piezoelectric element 17A dedicated for transmission is formed in the central column
  • the piezoelectric elements 17B dedicated to reception are provided on the upper and lower sides.
  • the transmission-only piezoelectric element 17A and the reception-only piezoelectric element 17B can be manufactured only by changing the patterning of the second second electrode 16b at the end of the manufacturing process of the ultrasonic sensor. The performance of each can be improved.
  • FIG. 21 illustrates an ultrasonic sensor 1C according to the fourth embodiment.
  • the width of the first electrode 14 is changed to make it dedicated to transmission and reception.
  • patterning the first electrode 14 that is a common electrode patterning is performed such that the central column in the vertical direction is the wide first electrode 14A, and both sides in the vertical direction are the narrow first electrodes 14B.
  • a process similar to that of the embodiment described above is executed.
  • the piezoelectric element 17A dedicated to transmission including the wide first electrode 14A is used, and the piezoelectric element 17B dedicated to reception including the narrow first electrode 14B is provided on both sides in the vertical direction.
  • the transmission-only piezoelectric element 17A and the reception-only piezoelectric element 17B can be manufactured only by changing the patterning of the first electrode 14 at the beginning of the ultrasonic sensor manufacturing thin film process. Performance can be improved.
  • the ultrasonic wave transmitted to the measurement object or the ultrasonic wave reflected from the measurement object (echo signal) on the side opposite to the piezoelectric element 17 of the diaphragm ) Passing region According to this, the structure on the opposite side to the piezoelectric element 17 of a diaphragm can be simplified and a favorable passage area
  • the electrical area such as electrodes and wirings and the adhesion fixing area of each member from the measurement object to prevent contamination and leakage current between these and the measurement object. Accordingly, the present invention can be suitably applied to medical devices that particularly dislike contamination and leakage current, such as ultrasonic diagnostic apparatuses, blood pressure monitors, and tonometers.
  • the opening 18 of the substrate 11 is filled with a resin functioning as an acoustic matching layer, for example, silicone oil, silicone resin, or silicone rubber.
  • the opening 18 is made of a lens member that can transmit ultrasonic waves or the like. Generally it is sealed. Thereby, the acoustic impedance difference between the piezoelectric element 17 and the measurement object can be reduced, and ultrasonic waves are efficiently transmitted to the measurement object side.
  • a sealing plate for sealing a region including the piezoelectric element 17 it is preferable to bond a sealing plate for sealing a region including the piezoelectric element 17 to the substrate 11. According to this, since the piezoelectric element 17 can be physically protected and the strength of the ultrasonic sensor 1 is increased, the structural stability can be enhanced. Furthermore, when the piezoelectric element 17 is configured as a thin film, the handling property of the ultrasonic sensor 1 including the piezoelectric element 17 can be improved.
  • the opening 18 is formed for each piezoelectric element 17.
  • the present invention is not limited to this, and the opening may be formed corresponding to the plurality of piezoelectric elements 17.
  • an opening common to the rows of the piezoelectric elements 17 arranged in parallel in the scanning direction may be provided, or one opening may be provided as a whole.
  • a member or the like for pressing between the elements 17 may be provided to perform the same vibration as when an independent opening is provided.
  • FIG. 22 is a perspective view showing a schematic configuration of an example of an ultrasonic diagnostic apparatus
  • FIG. 23 is a side view showing an ultrasonic probe.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 101 includes an apparatus terminal 102 and an ultrasonic probe (probe) 103.
  • the apparatus terminal 102 and the ultrasonic probe 103 are connected by a cable 104.
  • the apparatus terminal 102 and the ultrasonic probe 103 exchange electric signals through the cable 104.
  • a display panel (display device) 105 is incorporated in the device terminal 102.
  • the screen of the display panel 105 is exposed on the surface of the device terminal 102.
  • an image is generated based on the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic sensor 1 of the ultrasonic probe 103 and detected.
  • the imaged detection result is displayed on the screen of the display panel 105.
  • the ultrasonic probe 103 has a housing 106.
  • An ultrasonic sensor 1 in which a plurality of ultrasonic elements 10 are two-dimensionally arranged in a first direction X and a second direction Y is housed in the housing 106.
  • the ultrasonic sensor 1 is provided such that the surface thereof is exposed on the surface of the housing 106.
  • the ultrasonic sensor 1 outputs an ultrasonic wave from the surface and receives an ultrasonic reflected wave.
  • the ultrasonic probe 103 can include a probe head 103b that is detachably attached to the probe main body 103a. At this time, the ultrasonic sensor 1 can be incorporated in the housing 106 of the probe head 103b.
  • the ultrasonic sensor 1 is configured by arranging ultrasonic elements 10 two-dimensionally in a first direction X and a second direction Y.

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Abstract

少なくとも一つの開口部１８を有する基板と、前記開口部１８を塞ぐように前記基板に設けられた振動板５０と、前記振動板５０の前記開口部１８とは反対側に、Ｙ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向と直交するＸ方向にのびる、複数の第１電極１４と、前記振動板５０の前記開口部１８とは反対側に、前記Ｘ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向にのびる、複数の第２電極１６と、少なくとも前記第１電極１４と前記第２電極１６とが交差する部分において、前記第１電極１４と前記第２電極１６の間に設けられる複数の圧電体層１５と、を具備する超音波センサーであって、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向と直交するＺ方向において、前記第１電極１４と前記圧電体層１５と前記第２電極１６とが重なっている部分を能動部とし、前記振動板５０が前記能動部の駆動により振動できる領域を可動部とし、平面視において、１つの前記可動部と、前記１つの可動部内に設けられる前記能動部とからなる単位を、１つの超音波素子としたとき、平面視において、前記可動部の面積に対する前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を具備する。

Description

超音波センサー及びその製造方法
　本発明は、超音波センサー及びその製造方法に関する。
　従来、開口部を有する半導体基板と、開口部を閉塞して半導体基板の表面に形成された絶縁膜層上に２層の電極と、２層の電極の間で挟んだＰＺＴセラミックス薄膜層とを、アレイ状に配置した超音波センサーが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１０－１６４３３１号公報
　このような超音波センサーにおいて、送信感度や受信感度を制御しようとすると、圧電体層を形成する圧電材料を変更しなければならない。すなわち、受信専用の素子と送信専用の素子とを用意しようとすると、圧電材料の異なる素子を並べなければならず、非常に困難である。また、圧電材料を統一した場合、開口部の大きさ等を変更して送受信感度を調整することができるが、開口部の大きさを変更すると、共振周波数が変化してしまい、実質的に使用困難なものになるという問題があった。
　本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、共振周波数の仕様を変更することなく、送受信感度の異なる素子を共存させた超音波センサー及びその製造方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決する本発明の態様は、少なくとも一つの開口部を有する基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に、Ｙ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向と直交するＸ方向にのびる、複数の第１電極と、
　前記振動板の前記開口部とは反対側に、前記Ｘ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向にのびる、複数の第２電極と、少なくとも前記第１電極と前記第２電極とが交差する部分において、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられる複数の圧電体層と、を具備する超音波センサーであって、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向と直交するＺ方向において、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、前記振動板が前記能動部の駆動により振動できる領域を可動部とし、平面視において、１つの前記可動部と、前記１つの可動部内に設けられる前記能動部とからなる単位を、１つの超音波素子としたとき、平面視において、前記可動部の面積に対する前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を具備することを特徴とすることを特徴とする超音波センサーにある。
　かかる態様では、可動部に対する能動部の割合を変化させることにより、共振周波数の仕様を変更することなく、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができ、送受信を効率的に行うことができ、信頼性を向上させることができる。
　ここで、平面視において、前記可動部の面積が同一で、前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を具備することが好ましい。これによれば送信専用素子と受信専用素子とで能動部の大きさを同じとし、可動部の大きさを変更した場合に比べて、共振周波数の変化を非常に小さく抑えることができる。すなわち、能動部の面積が互いに異なる素子間で、共振周波数の差を小さく抑えることができる。よって、共振周波数の仕様が同一で、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子を有する超音波センサーを、容易に実現できる。
　また、平面視において、前記超音波素子に対応する開口部の面積が実質的に同一であり、１つの開口部に対応する前記圧電体層の面積が同一であり、１つの開口部に対応する前記第１電極及び第２電極の何れか一方の面積が異なることが好ましい。これによれば、製造プロセスを大きく改変することなく、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができる。
　また、前記複数の第２電極の幅が互いに異なることが好ましい。これによれば、超音波素子の基本的な製造プロセスの改変は必要なく、第２電極を形成するプロセスにおいて、送信専用素子のエリアと受信専用素子のエリアとで、第２電極のパターニングを行う際に、第２電極の幅を変更するだけで、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができる。よって、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子を有する超音波センサーを、非常に容易に得ることが可能である。
　また、前記第２電極の幅が、前記Ｘ方向内で異なることが好ましい。これによれば、さらに容易に、受信専用、送信専用素子を最適配置した超音波素子とすることができる。
　また、前記複数の圧電体層は、実質的に同一の圧電材料からなることが好ましい。これによれば、圧電材料を変更することなく、受信専用、送信専用に最適化した超音波素子とすることができる。ここで、実質的の同一の材料とは、不可避的または自然的に混入する不純物等は含まない。このような不純物成分は、３％以下が好ましく、１％以下がより好ましい。
　本発明の他の態様は、基板上に振動板を形成し、前記振動板上に、Ｙ方向に並ぶように、前記Ｙ方向と直交するＸ方向にのびる複数の第１電極を形成し、第１電極上に圧電体層を形成し、前記第１電極及び前記圧電体層が形成された前記振動板上に、第２電極層を形成し、前記圧電体層及び前記第２電極層をパターニングして、Ｘ方向に並ぶように、前記Ｙ方向にのびる複数の前記圧電体層及び第２電極を形成し、前記基板の前記振動板とは反対側の面に、少なくとも一つの開口部を形成する、超音波センサーの製造方法であって、前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向と直交するＺ方向において、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、前記振動板が前記能動部の駆動により振動できる領域を可動部とし、平面視において、１つの前記可動部と、前記１つの可動部内に設けられる前記能動部とからなる単位を、１つの超音波素子としたとき、前記圧電体層及び前記第２電極層をパターニングした後、前記第２電極層のみをさらにパターニングすることで、平面視において、前記可動部の面積に対する前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を形成する、ことを特徴とする超音波センサーの製造方法にある。
　かかる態様によれば、製造薄膜プロセスにおいて第２の電極を形成する際、第２電極をパターニングする際、送信専用の超音波素子のエリアと受信専用の超音波素子のエリアとで第２電極の面積（例えば第２電極の幅）を変更するだけで、送信専用、受信専用に最適化した超音波素子を製造でき、送受信のそれぞれの性能を向上させることができる。
実施形態１に係る超音波デバイスの構成例を示す断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの構成例を示す分解斜視図。 超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図。 実施形態１に係る超音波センサー素子の概略構成を示す平面図。 実施形態１に係る超音波センサー素子の断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。 実施形態１に係る超音波センサーの断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態２に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態３に係る超音波センサーの平面図及び断面図。 実施形態４に係る超音波センサーの平面図及び断面図。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す斜視図。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の範囲内で任意に変更可能である。各図において、同じ符号を付したものは、同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
（実施形態１）
　（超音波デバイス）
　図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーを搭載した超音波デバイスの構成例を示す断面図である。図示するように、超音波プローブＩは、ＣＡＶ面型の超音波センサー１と、超音波センサー１に接続されたフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板２）と、装置端末（図示せず）から引き出されたケーブル３と、ＦＰＣ基板２及びケーブル３を中継ぎする中継基板４と、超音波センサー１、ＦＰＣ基板２及び中継基板４を保護する筐体５と、筐体５及び超音波センサー１の間に充填された耐水性樹脂６とを具備して構成されている。
　超音波センサー１からは、超音波が送信される。また、測定対象物から反射された超音波が、超音波センサー１によって受信される。これらの超音波の波形信号に基づき、超音波プローブＩの装置端末において、測定対象物に関する情報（位置や形状等）が検出される。
　超音波センサー１によれば、後述のように、高い信頼性を確保できる。従って、超音波センサー１を搭載することで、各種特性に優れた超音波デバイスとなる。本発明は、超音波の送信に最適化された送信専用型と、超音波の受信に最適化された受信専用型と、超音波の送信及び受信に最適化された送受信一体型と、等の何れの超音波センサー１にも適用できる。超音波センサー１を搭載可能な超音波デバイスは超音波プローブＩに限定されない。
　（超音波センサー）
　図２は、超音波センサーの分解斜視図であり、図３は、超音波素子アレイの構成例を示す拡大斜視図である。図４は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーを構成する超音波センサー素子の平面図、図５はそのＡ－Ａ´線断面図及びＢ－Ｂ´線断面図、図６は、超音波センサーの概略構成を示す平面図、図７はそのＣ－Ｃ´線断面図及びＤ－Ｄ´線断面図である。
　超音波センサー１は、超音波素子１０と、音響整合層３０と、レンズ部材３１と、包囲板４０と、を含んで構成されている。超音波素子１０は、基板１１と、振動板５０と、圧電素子１７と、を含んで構成されている。図２において、包囲板４０と支持部材４１とが別体に示されているが、実際には両者は一体的に構成されている。
　互いに直交する２つの軸をＸ軸及びＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸によって形成される平面をＸＹ平面としたとき、基板１１は、ＸＹ平面に沿っている。以降、Ｘ軸を第１の方向Ｘと称し、Ｙ軸を第２の方向Ｙと称し、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れにも直交するＺ軸を第３の方向Ｚと称する。
　基板１１には、複数の隔壁１９が形成されている。複数の隔壁１９により、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに沿って、複数の空間２０が区画されている。空間２０は、第３の方向Ｚに基板１１を貫通するように形成されている。空間２０は、二次元状、すなわち、第１の方向Ｘに複数且つ第２の方向Ｙに複数形成されている。空間２０の配列や形状は、種々に変形が可能である。例えば、空間２０は、一次元状、すなわち、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの何れか一方の方向に沿って複数形成されてもよい。また、空間２０は、第３の方向Ｚから見たときに長方形状（第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとの長さの比が１：１以外）であってもよい。
　振動板５０は、空間２０により形成された開口部１８を塞ぐように基板１１上に設けられている。以降、振動板５０の基板１１側の面を第１面５０ａと称し、第１面５０ａに対向する面を第２面５０ｂと称する。振動板５０は、基板１１上に形成された弾性膜１２と、弾性膜１２上に形成された絶縁体膜１３と、によって構成されている。この場合、弾性膜１２によって第１面５０ａが構成され、絶縁体膜１３によって第２面５０ｂが構成される。
　以下、超音波素子を詳細に説明する。
　図示するように、本実施形態の超音波素子１０は、例えば、シリコン基板からなる基板１１の一面に設けられた二酸化シリコン膜からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３上に形成され、第１電極１４と、圧電体層１５と、第２電極１６とからなる圧電素子１７から構成される。基板１１の圧電素子１７に対応する領域には開口部１８が形成され、開口部１８を形成する空間２０は隔壁１９により区切られている。
　基板１１は例えばシリコン単結晶基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。本実施形態では、二酸化シリコンからなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜１３とで振動板を構成するが、これに限定されるものではなく、何れか一方でもよく、又は他の膜としてもよい。
　絶縁体膜１３上には、必要に応じて密着層を介して第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３～１．５μｍの薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６と、からなる圧電素子１７が形成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいい、第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域を能動部という。
　一般的には、圧電素子１７を駆動する場合、何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を個別電極とするが、超音波素子１０では、複数の超音波素子１０毎に駆動し、スキャンすることが行われるので、何れか一方が共通電極で他方が個別電極という区別は現実的ではない。何れにしても、超音波素子１０を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、第１電極１４を一方向に亘るように設け、第２電極１６を一方向に直交する方向に亘るように設け、適宜選択した第１電極１４と第２電極１６との間に電圧を印加することにより、所定の圧電素子１７のみを駆動することができる。また、所定の圧電素子１７を選択する際に、一列又は複数列を一つのグループとして選択して駆動することが一般的に行われる。本実施形態では、第１電極１４は４列が束ねられて共通化されている。これを仮に１チャンネルと呼び、このチャンネルは第１の方向Ｘに亘って複数設けられている。また、第２電極１６は、第１の方向Ｘに沿って一列に連続して設けられ、第２の方向Ｙに沿って複数列設けられている。
　このような構成においては、第２電極１６の全ての列を共通化して、１チャンネル内の全ての圧電素子１７を同時に駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、第１の方向Ｘに沿った１次元のデータが取得できる。
　また、第２電極１６を１列毎、又は複数列毎に共通化し、１チャンネル内の圧電素子１７を第２電極１６で共通化してグループ毎に順次駆動し、順次各チャンネルを駆動すると、ＸＹ方向の２次元データが取得できる。
　また、ここでは圧電素子１７と、当該圧電素子１７の駆動により変位が生じる振動板５０である弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、を合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、必要に応じて設けられる密着層と、第１電極１４と、が振動板５０として作用するが、これに限定されるものではない。例えば、振動板５０を設けず、圧電素子１７自体が実質的に振動板５０としての機能を兼ねるようにしてもよい。
　ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６が平面視で重なる部分をいい、圧電体層１５が第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域を能動部と称する。また、弾性膜１２及び絶縁体膜１３の他、第１電極１４及び第２電極１６も開口部１８を塞ぐ振動板５０として機能し、振動板５０の開口部１８に対応する領域は、振動板５０が圧電素子１７の駆動により振動できる領域であり、これを可動部と称する。能動部と可動部とは、１対１で対応している。本実施形態では、能動部と開口部１８とが１対１で対応しているが、平面視において、１つの開口部１８内に複数の能動部が含まれていても良い。この場合、隣り合う能動部間に、振動板５０の振動を抑制する柱状の仕切りを設けること等によって、開口部１８内において振動板５０が振動できる領域を制限すれば、実質的に能動部と可動部とを１対１で対応させることが可能である。
　第１電極１４や第２電極１６は導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。
　圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。
　また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば少なくともビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波素子１０を実現できる。
　このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ及びＬｉが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。
　Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。
　ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。
　そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成は前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよい。例えば圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）をさらに含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波素子１０を実現できる。
　圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
　図６に示すように、本実施形態の超音波センサー１は、超音波素子１０を第１の方向Ｘ及びこれに直交する第２の方向Ｙに、二次元的に並設しており、第１の方向Ｘをスキャン方向、第２の方向Ｙをスライス方向とする。このような超音波センサー１では、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に駆動、すなわち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。
　ここで、本実施形態では、第１の方向Ｘに延びる列毎に受信専用、送信専用に機能を分離している。すなわち、図７に示すように、中央の列では、圧電体層１５と第２電極１６Ａの幅が同一であるが、その両側の列では、第２電極１６Ｂの幅が圧電体層１５の幅より小さくなっている。開口部１８の幅、圧電体層１５の幅は何れも同一であり、第２電極１６Ｂが第２電極１６Ａより幅狭に形成されている。
　このような超音波センサー１では、圧電素子１７を駆動した際の可動部は、開口部１８の面積に対応し、圧電体層１５が第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域である能動部の面積は、中央の圧電素子１７Ａと両側の圧電素子１７Ｂとで異なり、両側の方が能動部の面積が小さい。
　このように、第２電極１６の幅のみを変更して能動部の面積を変化させれば、共振周波数の変化（差）を非常に小さく抑えつつ、受信特性と送信特性を変化させることができる。送信特性（送信感度）は、能動部の駆動に基づく可動部の変位による排除体積ｖに比例し、排除体積ｖは能動部の面積Ｓに比例する。すなわち、能動部の面積Ｓが大きい方が、送信特性は良い。また、受信特性（受信感度）は、本実施形態では、受信により発生する電圧で評価する。発生電圧Ｖは、Ｖ＝Ｑ／Ｃ（Ｑは発生電荷、Ｃは静電容量）で表され、圧電素子の静電容量に反比例する。静電容量Ｃは、Ｃ＝ε０×εｒ×（Ｓ／ｔ）（ε０は真空の誘電率、εｒは圧電素子の比誘電率、Ｓは能動部の面積、ｔは圧電素子（能動部）の膜厚）で表され、能動部の面積Ｓが小さいほどが静電容量Ｃが小さくなる。すなわち、第２電極１６の幅を小さくすると、受信特性は向上するが、送信特性は低下する。逆に、第２電極１６の幅を大きくすると、送信特性は向上するが、受信特性は低下する。よって、中央の圧電素子１７Ａを送信専用とし、両側の圧電素子１７Ｂを受信専用として機能させるようにした。これにより、送信特性、受信特性の両者の向上を図ることができる。また、受信専用の素子と送信専用の素子とで、能動部の面積は異なるが、可動部の面積は同じであるため、両者の共振周波数の差は非常に小さい。よって、受信専用の素子と送信専用の素子とで共振周波数の仕様を変更することなく、送受信を効率的に行うことができる。
　次に、実施形態１の超音波センサーの製造方法の一例について、図８～図１３を参照して説明する。これらの図は、各プロセスを示し、それぞれ平面図と、そのｂ－ｂ´線断面図及びｃ－ｃ´線断面図とからなる。
　まず、図８に示すように、基板１１を熱酸化等で酸化シリコンからなる弾性膜１２を形成後、この上に、ジルコニウムを成膜して例えば５００～１２００℃の拡散炉で熱酸化し、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３を形成する。そして、絶縁体膜１３上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、第１電極１４が所定の形状となるようにパターニングする。
　次いで、図９に示すように、第１電極１４上に圧電体層１５を積層する。圧電体層１５は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル－ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。
　次に、図１０に示すように、圧電体層１５上に、第１の第２電極１６ａをスパッタリング法や熱酸化等により形成し、図１１に示すように、第１の第２電極１６ａと圧電体層１５を、圧電素子毎にパターニングする。
　次に、図１２に示すように、第２の第２電極１６ｂを、第１の第２電極１６ａと同様に設け、図１３に示すように、第１の第２電極１６ａ及び第２の第２電極１６ｂをパターニングし、第２の方向Ｙで列毎に分割し、第１の方向Ｘに列毎に連続するようにする。また、図中中央の列では、第２電極１６Ａは幅広で、圧電体層１５とほぼ同じ幅とし、その両側の列では、幅が狭い第２電極１６Ｂとした。これにより、幅広の第２電極１６Ａを有する送信専用の圧電素子１７Ａと、幅狭の第２電極１６Ｂを有する受信専用の圧電素子１７Ｂとを形成する。
　この後は、必要に応じて保護膜を形成し、パターニングし、続いて、開口部を形成して超音波センサー１とする。
　このように、超音波センサー１の製造薄膜プロセスの最後の第２の第２電極１６ｂのパターニングを変更するだけで、送信専用の圧電素子１７Ａと受信専用の圧電素子１７Ｂとを製造でき、送受信のそれぞれの性能を向上させることができる。
　（実施形態２）
　実施形態２の超音波センサー１Ａについては、製造方法の一例を示しながら説明する。図１４～図１９は、各プロセスを示し、それぞれ平面図と、そのｂ－ｂ´線断面図及びｃ－ｃ´線断面図とからなる。なお、上述した実施形態１は第２電極１６を共通電極としたが、本実施形態では、第１電極１４を共通電極としたものである。
　まず、図１４に示すように、基板１１を熱酸化等で酸化シリコンからなる弾性膜１２を形成後、この上に、ジルコニウムを成膜して例えば５００～１２００℃の拡散炉で熱酸化し、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３を形成する。そして、絶縁体膜１３上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、第１電極１４が所定の形状となるようにパターニングする。
　次いで、図１５に示すように、第１電極１４上に圧電体層１５を積層する。圧電体層１５は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル－ゲル法や、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。
　次に、図１６に示すように、圧電体層１５上に、第１の第２電極１６ａをスパッタリング法や熱酸化等により形成し、図１７に示すように、第１の第２電極１６ａと圧電体層１５を、圧電素子毎にパターニングする。
　次に、図１８に示すように、第２の第２電極１６ｂを、第１の第２電極１６ａと同様に設け、図１９に示すように、第１の第２電極１６ａ及び第２の第２電極１６ｂをパターニングし、第２の方向Ｙで列毎に分割し、第１の方向Ｘに列毎に連続するようにする。また、図中中央の列では、第２電極１６Ａは幅広で、圧電体層１５とほぼ同じ幅とし、その両側の列では、幅が狭い第２電極１６Ｂとした。これにより、幅広の第２電極１６Ａを有する送信専用の圧電素子１７Ａと、幅狭の第２電極１６Ｂを有する受信専用の圧電素子１７Ｂとを形成する。
　この後は、必要に応じて保護膜を形成し、パターニングし、続いて、開口部１８を形成して超音波センサー１Ａとする。
　このような場合でも、超音波センサーの製造薄膜プロセスの最後の第２の第２電極１６ｂのパターニングを変更するだけで、送信専用の圧電素子１７Ａと受信専用の圧電素子１７Ｂとを製造でき、送受信のそれぞれの性能を向上させることができる。
　（実施形態３）
　図２０は、実施形態３の超音波センサー１Ｂを示す。本実施形態では、第２の第２電極１６ｂをパターニングする際に、第２電極１６が必要ない部分を除去する代わりに、溝２１により、第２電極１６と、第２電極１６とは電気的に不連続となる不連続電極２２とに分離したものである。そして、溝２１の形成位置を変化させて、上下方向中央の列では、幅広の第２電極１６Ａとし、上下方向両側を幅狭の第２電極１６Ｂとし、中央の列を送信専用の圧電素子１７Ａ、上下両側を受信専用の圧電素子１７Ｂとした。
　このようなプロセスでも、超音波センサーの製造薄膜プロセスの最後の第２の第２電極１６ｂのパターニングを変更するだけで、送信専用の圧電素子１７Ａと受信専用の圧電素子１７Ｂとを製造でき、送受信のそれぞれの性能を向上させることができる。
　（実施形態４）
　図２１は、実施形態４の超音波センサー１Ｃを示す。本実施形態では、第２電極１６の幅を変える代わりに、第１電極１４の幅を変更して送信専用、受信専用とするものである。本実施形態では共通電極である第１電極１４のパターニングの際に、上下方向中央の列を幅広の第１電極１４Ａとし、上下方向両側を幅狭の第１電極１４Ｂとしてパターニングし、その後は上述した実施形態と同様なプロセスを実行するものである。そして、上下方向中央の列では、幅広の第１電極１４Ａを具備する送信専用の圧電素子１７Ａとし、上下方向両側を幅狭の第１電極１４Ｂを具備する受信専用の圧電素子１７Ｂとした。
　このようなプロセスでも、超音波センサーの製造薄膜プロセスの最初の第１電極１４のパターニングを変更するだけで、送信専用の圧電素子１７Ａと受信専用の圧電素子１７Ｂとを製造でき、送受信のそれぞれの性能を向上させることができる。
　（他の実施形態）
　以上説明した各本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成とすることができる。これによれば、振動板の圧電素子１７とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
　なお、基板１１の開口部１８等内には、音響整合層として機能する樹脂、例えばシリコーンオイル、シリコーン樹脂又はシリコーンゴムが充填され、開口部１８等は、超音波等を透過可能なレンズ部材により封止されるのが一般的である。これにより、圧電素子１７と測定対象物との間の音響インピーダンス差を低減でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
　さらに、上述した実施形態では省略したが、圧電素子１７を含む領域を封止する封止板を基板１１に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子１７を物理的に保護でき、また超音波センサー１の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子１７が薄膜として構成される場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー１のハンドリング性も向上させることができる。
　また、上述した実施形態では、開口部１８は、圧電素子１７毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子１７に対応して開口部を形成してもよい。例えば、スキャン方向に亘って並設される圧電素子１７の列に共通する開口部を設けてもよく、又は全体に１つの開口部としてもよい。なお、このような複数の圧電素子１７に対して共通する開口部を設けた場合には、圧電素子１７の振動状態が異なるようになるが、振動板の基板１１とは反対側から、各圧電素子１７の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。
　ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図２２は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図、図２３は超音波プローブを示す側面図である。
　これらの図に示すように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１から送信され、検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。
　超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波素子１０が第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１はプローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込まれることができる。なお、超音波センサー１は、超音波素子１０が、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに二次元に配列されて構成される。
　１、１Ａ～１Ｃ　超音波センサー、　１０　超音波素子、　１１　基板、　１２　弾性膜、　１３　絶縁体膜、　１４　第１電極、　１５　圧電体層、　１６　第２電極、　１７　圧電素子、　１８　開口部

Claims (7)

  1. 　少なくとも一つの開口部を有する基板と、
    　前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、
    　前記振動板の前記開口部とは反対側に、Ｙ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向と直交するＸ方向にのびる、複数の第１電極と、
    　前記振動板の前記開口部とは反対側に、前記Ｘ方向に並ぶように設けられ、前記Ｙ方向にのびる、複数の第２電極と、
    　少なくとも前記第１電極と前記第２電極とが交差する部分において、前記第１電極と前記第２電極の間に設けられる複数の圧電体層と、
    を具備する超音波センサーであって、
    　前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向と直交するＺ方向において、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、前記振動板が前記能動部の駆動により振動できる領域を可動部とし、
    　平面視において、１つの前記可動部と、前記１つの可動部内に設けられる前記能動部とからなる単位を、１つの超音波素子としたとき、
    　平面視において、前記可動部の面積に対する前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を具備する
    ことを特徴とする超音波センサー。
  2. 　平面視において、前記可動部の面積が同一で、前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を具備することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
  3. 　平面視において、前記超音波素子に対応する開口部の面積が実質的に同一であり、１つの開口部に対応する前記圧電体層の面積が同一であり、１つの開口部に対応する前記第１電極及び第２電極の何れか一方の面積が異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサー。
  4. 　前記複数の第２電極の幅が互いに異なることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の超音波センサー。
  5. 　前記第２電極の幅が、前記Ｘ方向内で異なることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の超音波センサー。
  6. 　前記複数の圧電体層は、実質的に同一の圧電材料からなることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の超音波センサー。
  7. 　基板上に振動板を形成し、
    　前記振動板上に、Ｙ方向に並ぶように、前記Ｙ方向と直交するＸ方向にのびる複数の第１電極を形成し、
    　第１電極上に圧電体層を形成し、
    　前記第１電極及び前記圧電体層が形成された前記振動板上に、第２電極層を形成し、
    　前記圧電体層及び前記第２電極層をパターニングして、Ｘ方向に並ぶように、前記Ｙ方向にのびる複数の前記圧電体層及び第２電極を形成し、
    　前記基板の前記振動板とは反対側の面に、少なくとも一つの開口部を形成する、
    超音波センサーの製造方法であって、
    　前記Ｘ方向及び前記Ｙ方向と直交するＺ方向において、前記第１電極と前記圧電体層と前記第２電極とが重なっている部分を能動部とし、前記振動板が前記能動部の駆動により振動できる領域を可動部とし、
    　平面視において、１つの前記可動部と、前記１つの可動部内に設けられる前記能動部とからなる単位を、１つの超音波素子としたとき、
    　前記圧電体層及び前記第２電極層をパターニングした後、前記第２電極層のみをさらにパターニングすることで、平面視において、前記可動部の面積に対する前記能動部の面積が異なる２種以上の超音波素子を形成する、
    ことを特徴とする超音波センサーの製造方法。
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