[發明專利]超聲波換能器及利用該超聲波換能器的超聲波診斷裝置

有效

• 申請號: 201080022255.8
• 申請日: 2010-05-21
• 公開（公告）號: CN102440005A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 町田俊太郎;小林孝
• 申請（專利權）人: 株式會社日立醫療器械
• 主分類號: H04R19/00
• 分類號: H04R19/00;A61B8/00;H04R1/40
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 汪惠民

技術領域

本發明涉及超聲波換能器及利用該超聲波換能器的超聲波診斷裝置。特別涉及通過MEMS(Micro?Electro?Mechanical?System)技術制造出的超聲波換能器及利用其的超聲波診斷裝置。

背景技術

超聲波換能器被用在通過發送、接收超聲波來診斷人體內的腫瘤等的裝置或非破壞方式檢查構造物的裝置等中。

迄今為止，雖然可以采用利用了壓電體的振動的超聲波換能器，但是由于近年來的MEMS技術的進步，正在開發在硅基板上制作了振動部的電容檢測型超聲波換能器(CMUT：Capacitive?Micro-machined?Ultrasonic?Transducer)，以實用化為目的正在積極地研究。

例如，在美國專利第6320239B1號說明書(專利文獻1)中公開了單體的CMUT與配置為陣列狀的CMUT。

再有，在美國專利第6571445B2號說明書(專利文獻2)及美國專利第6562650B2號說明書(專利文獻3)中公開了：在形成于硅基板上的信號處理電路的上層形成CMUT的技術。

還有，在美國專利第2005-0228285A1號說明書(專利文獻4)及美國專利2007-0264732A1號說明書(專利文獻5)中公開了具有突出到空洞部的突起的結構的CMUT。

先行技術文獻

專利文獻

專利文獻1：美國專利第6320239B1號說明書

專利文獻2：美國專利第6571445B2號說明書

專利文獻3：美國專利第6562650B2號說明書

專利文獻4：美國專利第2005-0228285A1號說明書

專利文獻5：美國專利第2007-0264732A1號說明書

與現有的采用了壓電體的換能器相比，CMUT具有可以使用的超聲波的頻帶較寬、或者高靈敏度等優點。再有，因為能夠利用LSI加工技術來制作，所以能夠進行微細加工。尤其是，在將超聲波元件排列為陣列狀，對各元件獨立地進行控制的情況下，認為CMUT是必須的。原因在于：需要向各元件的布線，陣列內的布線數成為龐大的數目，但是因為CMUT可以使用LSI加工技術來制作，所以這些布線是比較容易的。再有，因為從超聲波收發部向信號處理電路的1個芯片的混載在CMUT中也是可能的緣故。

利用圖1對CMUT的基本結構及動作進行說明。在下部電極101的上層形成被絕緣膜103包圍的空洞部102。隔著絕緣膜103，在空洞部102上配置有上部電極104。若在上部電極104與下部電極101之間，直流電壓與交流電壓重疊，則靜電力作用在上部電極104與下部電極101之間，由空洞部102上的絕緣膜103與上部電極104構成的薄膜105以所施加的交流電壓的頻率振動，由此發送超聲波。

相反，在接收的情況下，通過到達薄膜105表面的超聲波的壓力，薄膜105振動。于是，由于上部電極104與下部電極101之間的距離變化，因此可以將電容的變化作為超聲波來檢測。

雖然根據上述動作原理可以明白，但是因為利用基于在電極間施加電壓而引起的靜電力的薄膜的振動和振動所引起的電極間的電容變化來進行超聲波的發送及接收，所以在動作穩定或提高設備的可靠性方面電極間的電壓差的穩定性成為重點。

在上述動作原理中，通過在上部電極104與下部電極101之間施加直流電壓，從而靜電力作用在兩個電極間，薄膜變形，通過變形而引起的彈簧復原力與靜電力平衡的變形量，薄膜穩定。

通常，雖然以電極間的靜電力與薄膜的彈簧復原力平衡的直流電壓進行驅動，但是若施加比被稱為限定電壓的電壓還大的直流電壓，則電極間的靜電力會變得比薄膜的彈簧復原力還大，薄膜不能穩定在固定的位置，薄膜的下表面106會和空洞部的下表面107接觸，其中該限定電壓是薄膜的變形量會變為電極間隔的約三分之一的電壓。若接觸，則絕緣膜103成為被上部電極與下部電極夾持的結構，電荷從兩個電極注入，成為膜中的固定電荷。即使再次在兩電極間施加直流電壓，電極間的電場也會被絕緣膜中的固定電荷切斷，最佳地使用CMUT的電壓變動。因此，在上述專利文獻1或專利文獻2、專利文獻3所公開的CMUT中，為了防止薄膜的下表面和空洞部的下表面接觸，通常需要在和限定電壓相比非常低的電壓下使用。

但是，為了提高收發的靈敏度，需要盡可能縮窄CMUT使用中的兩電極的間隔，因此重要的是使施加在兩電極間的電壓盡可能地接近限定電壓。