專利名稱：超聲波探頭以及超聲波攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及超聲波探頭以及超聲波攝像裝置，特別涉及使用了靜電容型微機械超聲波換能器的超聲波探頭以及超聲波攝像裝置。
背景技術(shù)：
超聲波換能器是進(jìn)行可聽域(約20Hz 20kHz)以上的聲波的放射和接收的期間，在醫(yī)療用和非破壞檢查等中廣泛利用?，F(xiàn)在，作為超聲波換能器而被最廣泛使用的是以 PZT(lead Zirconate Titanate，鋯鈦酸鉛)為代表的壓電器件(piezoelectric devices)。 但是，近年來，被稱為靜電容型微機械超聲波換能器(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers :CMUT，下面稱為CMUT)的、利用與壓電型不同的動作原理的超聲波器件的開發(fā)正在展開，并不斷實用化。CMUT應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)來制作。通常在以硅等的半導(dǎo)體加工中使用的部件所形成的基板上埋入電極材料(有時基板自身也會成為電極)，將微細(xì)(例如50 μ m)且薄(例如數(shù)ym)的振動膜用振動膜周圍的支柱等固定而形成。在振動膜和基板之間設(shè)置空隙，以使得振動膜能振動。在該振動膜內(nèi)也埋入電極材料。如此，通過在基板以及振動膜配置獨立的電極，作為靜電容(電容器)而發(fā)揮作用。通過在兩電極上施加電壓(通常預(yù)先施加偏壓)，由此作為超聲波換能器而動作。若在兩電極上施加交流電壓，則電極間的靜電力發(fā)生變化，振動膜振動。此時，若有與振動膜接觸的某媒介物，則振動膜的振動在媒介物內(nèi)作為聲波而傳播。即，能放射聲。反之，若聲波傳遞到振動膜，則振動膜按照該聲波而振動，通過兩電極間的距離的改變而使得電氣信號在兩電極間流過。取出該電氣信號，從而能接收聲波。CMUT的振動膜隔著支柱而與下部的基板之間力學(xué)性地結(jié)合。因此，若振動膜振動， 則該振動不僅傳播到媒介物，也傳播到基板?；蛘撸a(chǎn)生于振動膜和基板側(cè)的電極間的靜電力同等地作用于振動膜和基板這兩者。因此，電氣振動經(jīng)由靜電力傳遞到基板。如此，CMUT 中，不僅是振動膜，由于力學(xué)或電氣的作用，振動也傳播到基板。在該基板傳播的振動從基板再次反射到振動膜側(cè)，由此再次作為電氣信號而被探測出。這些信號在進(jìn)行通常的超聲波的收發(fā)上成為非需要的響應(yīng)。這些非需要響應(yīng)在醫(yī)療用的超聲波圖像診斷機或非破壞檢查裝置等中成為假像(假信號)，增加了誤診斷或檢查結(jié)果的誤評價的風(fēng)險。因此，在使用CMUT上，抑制經(jīng)由基板而振動的信號成分極為重要。在專利文獻(xiàn)1中，通過使基板厚度為某厚度以下，使得能成為假像成分的信號的頻率分量偏離出換能器的靈敏度帶域，由此回避假像信號的影響。另外，在專利文獻(xiàn)2中，通過使基板厚度為最適合、在基板內(nèi)設(shè)置槽 (slot)和多孔質(zhì)(porous)，來回避了在基板激勵的橫波使超聲波的指向性劣化。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 美國專利第6714484號公報專利文獻(xiàn)2 美國專利第6262946號公報專利文獻(xiàn)3 美國專利第6359367號公報

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明要解決的課題在基板產(chǎn)生的振動中有各種的振動模式。大致區(qū)分則有縱波(longitudinal waves)和橫波(transverse/lateral waves)。縱波是通過能傳遞聲的媒介物在波的行進(jìn)方向上反復(fù)壓縮和膨脹來傳播的?？v波成為非需要響應(yīng)是如下情況在振動膜附近產(chǎn)生的振動在基板的背側(cè)等的聲阻抗不同的界面反射之后，再次返回振動膜側(cè)，并作為電氣信號而被探測到的情況；從振動膜放射反射信號，攪亂了放射聲波特性、或直接傳播到相鄰的振動膜，引起同樣的現(xiàn)象的情況。其中，在反射波的情況下，在基板內(nèi)反復(fù)多重反射。這是由于通?；宓牟考兴褂玫墓鑳?nèi)部中的聲波的衰減率非常小，在聲傳播的期間里在部件內(nèi)部沒有充分衰減。該多重反射的頻率由基板的縱波音速和厚度決定。若是某恒定的縱波音速，則基板厚度越薄則聲往復(fù)的時間就越短，即多重反射的時間周期變短，多重反射頻率 (多重反射的時間周期的倒數(shù))就越高。專利文獻(xiàn)1通過使基板厚度為某厚度以下，提高了該縱波引起的多重反射的頻率，將該影響移轉(zhuǎn)到比醫(yī)療用超聲波所使用的帶域(約IMHz到 IOMhz)要高的頻率側(cè)，由此回避非需要響應(yīng)的影響。另一方面，在基板上存在橫波(彎曲波)。橫波通過板的折彎(彎曲)逐漸傳遞到周圍來進(jìn)行傳播的。因此，聲的行進(jìn)方向和基板的變形方向正交。若這樣的橫波不衰減而在基板內(nèi)傳播，則其振動使音源周圍的振動膜振動，產(chǎn)生假像(假信號)。因此，在使用CMUT 上，不僅要回避縱波的影響，還要回避橫波的影響。但是，在專利文獻(xiàn)1中，沒有提到這樣的回避橫波的影響的構(gòu)成。本發(fā)明的目的在于通過有效地將具有橫波的某特定的頻域的能量輻射到基板外，來從超聲波探頭內(nèi)的靈敏度帶域排除去掉橫波的信號分量，能謀求假像信號分量的降低。專利文獻(xiàn)2將與本發(fā)明相同的橫波、或橫波以及縱波結(jié)合而振動的表面波為對象，目的在于通過控制橫波的放射的角度，來降低對超聲波的指向性的影響，以及抑制橫波的基板內(nèi)傳播。因此，和本發(fā)明的效果不同，當(dāng)然，課題的解決手段以及最佳的構(gòu)成也不同。解決課題的手段通過將CMUT的基板厚度設(shè)定在最佳的范圍，能將CMUT的靈敏度帶域內(nèi)的橫波的能量有效地輻射到換能器的外部，實現(xiàn)橫波的衰減。作為CMUT的基板而使用的材料(例如硅)，為了使在材料內(nèi)部的音的衰減系數(shù)較小而衰減振動能量，沒有比將能量輻射到外部更好的方法了。在基板產(chǎn)生的橫波的輻射到外部的輻射效率由與基板接觸的媒介物的縱波音速和基板的橫波音速的關(guān)系決定，具有頻率依賴性。能量輻射效率最高的頻率是被稱為相干頻率(coincidence frequency)的固有頻率附近及其高頻側(cè)。因此，為了有效率地衰減CMUT的靈敏度帶域內(nèi)的橫波，將相干頻率附近的能量輻射效率高的頻帶和CMUT靈敏度帶域重疊。本發(fā)明提出了根據(jù)CMUT和與其接觸的媒介物的物理參數(shù)來求取相干頻率，按照相干頻率與CMUT靈敏度帶域重疊的方式來設(shè)定最適當(dāng)?shù)幕搴穸鹊姆椒?。本發(fā)明的超聲波探頭有靜電容型微機械超聲波換能器，靜電容型微機械超聲波換能器具有具備第1電極的基板；和具備第2電極的振動膜，振動膜的周緣部通過從基板立起的支撐壁固定于基板上，并在基板和振動膜之間形成有空隙層，基板內(nèi)傳播的橫波音速在該超聲波探頭的靈敏度帶域內(nèi)的至少一部分的頻帶中，為與基板或振動膜接觸的媒介物的縱波音速以上。另外，本發(fā)明的超聲波探頭具有靜電容型微機械超聲波換能器(CMUT)以及與所述靜電容型微機械換能器接觸的至少一個以上的聲媒介物，靜電容型微機械超聲波換能器具有具備第ι電極的基板；和具備第2電極的振動膜，振動膜的周緣部通過從基板立起的支撐壁固定于基板上，并在基板和振動膜之間形成有空隙層，按照超聲波探頭的相干頻率滿足以下條件的方式來設(shè)定基板的厚度h。[數(shù)1]
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭，其特征在于，具有靜電容型微機械超聲波換能器，所述靜電容型微機械超聲波換能器具有具備第1電極的基板；和具備第2電極的振動膜，所述振動膜的周緣部通過從所述基板立起的支撐壁固定于所述基板上，并在所述基板和所述振動膜之間形成有空隙層，在所述基板內(nèi)進(jìn)行傳播的橫波音速在該超聲波探頭的靈敏度帶域內(nèi)的至少一部分的頻帶中，為與所述基板或所述振動膜接觸的媒介物的縱波音速以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述基板的相對于與所述基板或所述振動膜接觸的媒介物的相干頻率存在于所述靈敏度帶域內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述基板的相對于與所述基板或所述振動膜接觸的媒介物的相干頻率為所述靈敏度帶域的高頻截止頻率以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述基板的相對于與所述基板或所述振動膜接觸的媒介物的相干頻率為所述靈敏度帶域的低頻截止頻率的1/10以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 在所述超聲波換能器的聲放射面具備聲透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述基板的厚度為3. 8 μ m以上且70 μ m以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 在使用時，使所述超聲波換能器的聲放射面接觸水或生物體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述基板的厚度為12 μ m以上且170 μ m以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述超聲波換能器在基板側(cè)具備襯墊材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，使所述超聲波換能器的聲放射面接觸聲透鏡、水或生物體，并在基板側(cè)具備襯墊材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述基板的厚度為12 μ m以上且440 μ m以下。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 通過粘接劑將襯墊材料粘接于所述超聲波換能器的基板側(cè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述基板的厚度為15 μ m以上300 μ m以下。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 在所述超聲波換能器的基板側(cè)具備電子電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述基板的厚度為15 μ m以上且300 μ m以下。
全文摘要
降低由在靜電容型微機械超聲波換能器的基板上產(chǎn)生的橫波所引起的假像。將超聲波換能器的基板厚度設(shè)定為最適當(dāng)?shù)姆秶?，有效率地將超聲波換能器的靈敏度帶域(91)內(nèi)的橫波能量輻射到外部來衰減橫波，謀求降低超聲波攝像中的假像。
文檔編號H04R19/00GK102405653SQ20108001704
公開日2012年4月4日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月21日
發(fā)明者東隆, 田中宏樹 申請人:株式會社日立醫(yī)療器械