[发明专利]超声波探头以及超声波摄像装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波探头以及超声波摄像装置，特别涉及使用了静电容型微机械超声波换能器的超声波探头以及超声波摄像装置。

背景技术

超声波换能器是进行可听域(约20Hz～20kHz)以上的声波的放射和接收的期间，在医疗用和非破坏检查等中广泛利用。现在，作为超声波换能器而被最广泛使用的是以PZT(lead Zirconate Titanate，锆钛酸铅)为代表的压电器件(piezoelectric devices)。但是，近年来，被称为静电容型微机械超声波换能器(Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers：CMUT，下面称为CMUT)的、利用与压电型不同的动作原理的超声波器件的开发正在展开，并不断实用化。CMUT应用半导体技术来制作。通常在以硅等的半导体加工中使用的部件所形成的基板上埋入电极材料(有时基板自身也会成为电极)，将微细(例如50μm)且薄(例如数μm)的振动膜用振动膜周围的支柱等固定而形成。在振动膜和基板之间设置空隙，以使得振动膜能振动。在该振动膜内也埋入电极材料。如此，通过在基板以及振动膜配置独立的电极，作为静电容(电容器)而发挥作用。通过在两电极上施加电压(通常预先施加偏压)，由此作为超声波换能器而动作。若在两电极上施加交流电压，则电极间的静电力发生变化，振动膜振动。此时，若有与振动膜接触的某媒介物，则振动膜的振动在媒介物内作为声波而传播。即，能放射声。反之，若声波传递到振动膜，则振动膜按照该声波而振动，通过两电极间的距离的改变而使得电气信号在两电极间流过。取出该电气信号，从而能接收声波。

CMUT的振动膜隔着支柱而与下部的基板之间力学性地结合。因此，若振动膜振动，则该振动不仅传播到媒介物，也传播到基板。或者，产生于振动膜和基板侧的电极间的静电力同等地作用于振动膜和基板这两者。因此，电气振动经由静电力传递到基板。如此，CMUT中，不仅是振动膜，由于力学或电气的作用，振动也传播到基板。在该基板传播的振动从基板再次反射到振动膜侧，由此再次作为电气信号而被探测出。这些信号在进行通常的超声波的收发上成为非需要的响应。这些非需要响应在医疗用的超声波图像诊断机或非破坏检查装置等中成为假像(假信号)，增加了误诊断或检查结果的误评价的风险。因此，在使用CMUT上，抑制经由基板而振动的信号成分极为重要。在专利文献1中，通过使基板厚度为某厚度以下，使得能成为假像成分的信号的频率分量偏离出换能器的灵敏度带域，由此回避假像信号的影响。另外，在专利文献2中，通过使基板厚度为最适合、在基板内设置槽(slot)和多孔质(porous)，来回避了在基板激励的横波使超声波的指向性劣化。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第6714484号公报

专利文献2：美国专利第6262946号公报

专利文献3：美国专利第6359367号公报

发明内容

发明要解决的课题

在基板产生的振动中有各种的振动模式。大致区分则有纵波(longitudinal waves)和横波(transverse/lateral waves)。纵波是通过能传递声的媒介物在波的行进方向上反复压缩和膨胀来传播的。纵波成为非需要响应是如下情况：在振动膜附近产生的振动在基板的背侧等的声阻抗不同的界面反射之后，再次返回振动膜侧，并作为电气信号而被探测到的情况；从振动膜放射反射信号，搅乱了放射声波特性、或直接传播到相邻的振动膜，引起同样的现象的情况。其中，在反射波的情况下，在基板内反复多重反射。这是由于通常基板的部件中所使用的硅内部中的声波的衰减率非常小，在声传播的期间里在部件内部没有充分衰减。该多重反射的频率由基板的纵波音速和厚度决定。若是某恒定的纵波音速，则基板厚度越薄则声往复的时间就越短，即多重反射的时间周期变短，多重反射频率(多重反射的时间周期的倒数)就越高。专利文献1通过使基板厚度为某厚度以下，提高了该纵波引起的多重反射的频率，将该影响移转到比医疗用超声波所使用的带域(约1MHz到10Mhz)要高的频率侧，由此回避非需要响应的影响。