超声波单元以及超声波内窥镜.pdf

超声波单元(30)具备：超声波元件(20)，在由半导体构成的基板(11)之上形成有构成第一电容器(71)的多个超声波构件(10)，所述超声波构件(10)通过将成为接地电位的上部电极(16)与施加驱动信号的下部电极(12)隔着腔体(14A)对置配置而成；封装部件(60)，配设所述多个超声波元件(20)，并成为接地电位；以及绝缘部件(63)，配设在所述封装部件(60)与所述超声波元件(20)之间，通过由所述绝缘部件(63)作为间隙而构成第二电容器(72)，与所述第二电容器(72)串联连接而构成的第三电容器(73)的电容比所述第二电容器(72)的电容小。

权利要求书1.  一种超声波单元，其特征在于，具备： 超声波元件，在由半导体构成的基板之上形成有构成第一电容器的多 个超声波构件，所述超声波构件通过将成为接地电位的上部电极与施加驱 动信号的下部电极隔着腔体对置配置而成； 封装部件，配设所述多个超声波元件，并成为接地电位；以及 绝缘部件，配设在所述封装部件与所述超声波元件之间， 通过由所述绝缘部件作为间隙而构成第二电容器， 与所述第二电容器串联连接而构成的第三电容器的电容比所述第二电 容器的电容小。 2.  如权利要求1所述的超声波单元，其特征在于， 所述基板具有极性与所述基板不同的、低阻抗的扩散层， 所述第三电容器是通过将耗尽层作为间隙而构成的，所述耗尽层是通 过所述扩散层而在所述基板的内部形成的。 3.  如权利要求2所述的超声波单元，其特征在于， 所述超声波元件具有将所述基板与所述下部电极进行绝缘的绝缘层。 4.  一种超声波内窥镜，其特征在于，具备： 插入部，在前端部配设有超声波单元； 操作部，配设在所述插入部的基端部侧；以及 通用管线，从所述操作部延伸设置， 所述超声波单元构成为， 具备： 超声波元件，在由半导体构成的基板之上形成有构成第一电容器的多 个超声波构件，所述超声波构件通过将成为接地电位的上部电极与施加驱 动信号的下部电极隔着腔体对置配置而成； 封装部件，配设所述多个超声波元件，并成为接地电位；以及 绝缘部件，配设在所述封装部件与所述超声波元件之间， 通过由所述绝缘部件作为间隙而构成第二电容器， 与所述第二电容器串联连接而构成的第三电容器的电容比所述第二电 容器的电容小。 5.  如权利要求4所述的超声波内窥镜，其特征在于， 所述基板具有极性与所述基板不同的、低阻抗的扩散层， 所述第三电容器是通过将耗尽层作为间隙而构成的，所述耗尽层是通 过所述扩散层而在所述基板的内部形成的。 6.  如权利要求5所述的超声波内窥镜，其特征在于， 所述超声波元件具有将所述基板与所述下部电极进行绝缘的绝缘层。

说明书超声波单元以及超声波内窥镜
技术领域
本发明涉及将在半导体基板上形成有静电电容型的超声波构件 (cell)的超声波元件(element)隔着绝缘部件配置在封装部件上而 成的超声波单元(unit)以及具备所述超声波单元的超声波内窥镜。
背景技术
对被检物照射超声波并根据回波信号将体内的状态进行图像化 而诊断的超声波诊断法正在普及。用于超声波诊断法的诊断装置之一 有超声波内窥镜系统。超声波内窥镜在向体内插入的插入部的前端部 配置有超声波单元。超声波单元具有如下功能，即：将电信号变换为 超声波后向体内发送、而且接收在体内反射后的超声波并将其变换为 电信号。
作为超声波单元的超声波构件，在日本特开2006－50314号公报 中，公开了使用MEMS技术制造的静电电容型超声波振子(Capacitive  Micro－machined Ultrasonic Transducer，：cMUT(电容微机械超声换 能器))。
cMUT的超声波构件通过振动片(membrane)的振动，来进行超 声波的收发，所述振动片包括隔着腔体而与下部电极对置配置的上部 电极。若在发送时在电极间施加电压，则上部电极通过静电力而被向 下部电极牵引，因此包括上部电极的振动片发生变形。若去掉电压施 加，则振动片通过弹性力而恢复为原来的形状。通过该振动片的变形 /恢复而产生超声波。
另一方面，在接收时，振动片通过接收到的超声波能量而变形， 上部电极与下部电极的距离发生变化。利用由上部电极和下部电极构 成的电容器的电容C1变化ΔC这一点，接收到的超声波能量被变换 为电信号。
在此，根据超声波单元的构造等，有时对作为接收信号的基础的 所述电容器的电容C1附加不根据接收到的超声波能量而变化的寄生 电容Cp。因此，接收到相同强度的超声波能量时的电容变化率从 ΔC/C1减少为ΔC/(C1+Cp)，因此接收灵敏度降低。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的实施方式的目的在于，提供接收灵敏度较高的超声波单 元以及具备所述超声波单元的超声波内窥镜。
用于解决课题的手段
本发明的实施方式的超声波单元具备：超声波元件，在由半导体 构成的基板之上形成有构成第一电容器的多个超声波构件，所述超声 波构件通过将成为接地电位的上部电极与施加驱动信号的下部电极 隔着腔体对置配置而成；封装部件，配设所述多个超声波元件，并成 为接地电位；以及绝缘部件，配设在所述封装部件与所述超声波元件 之间，通过由所述绝缘部件作为间隙而构成第二电容器，与所述第二 电容器串联连接而构成的第三电容器的电容比所述第二电容器的电 容小。
此外，另一个实施方式的超声波内窥镜具备：插入部，在前端部 配设有超声波单元；操作部，配设在所述插入部的基端部侧；以及通 用管线(universal cord)，从所述操作部延伸设置，所述超声波单元 构成为，具备：超声波元件，在由半导体构成的基板之上形成有构成 第一电容器的多个超声波构件，所述超声波构件通过将成为接地电位 的上部电极与施加驱动信号的下部电极隔着腔体对置配置而成；封装 部件，配设所述多个超声波元件，并成为接地电位；以及绝缘部件， 配设在所述封装部件与所述超声波元件之间，通过由所述绝缘部件作 为间隙而构成第二电容器，与所述第二电容器串联连接而构成的第三 电容器的电容比所述第二电容器的电容小。
发明的效果
根据本发明的实施方式，能够提供接收灵敏度较高的超声波单元 以及具备所述超声波单元的超声波内窥镜。
附图说明
图1是包括实施方式的超声波内窥镜的内窥镜系统的构成图。
图2是实施方式的超声波内窥镜的前端部的立体图。
图3是实施方式的超声波单元的立体图。
图4是实施方式的超声波单元的分解图。
图5是第一实施方式的超声波单元的沿着图4的V－V线的剖视 图。
图6是以往的超声波单元的构成图。
图7是以往的超声波单元的等效电路图。
图8是第一实施方式的超声波单元的构成图。
图9是第一实施方式的超声波单元的等效电路图。
图10是第二实施方式的超声波单元的构成图。
图11是第二实施方式的超声波单元的等效电路图。
具体实施方式
＜第一实施方式＞
以下，参照附图对第一实施方式的超声波单元30以及具备超声 波单元30的超声波内窥镜2(以下，称为“超声波单元30等”)进 行说明。另外，图都是用于说明的示意图，构成要素的数目、大小以 及大小的比率等与实际不同。
＜超声波内窥镜的构成＞
如图1所示，超声波内窥镜2与超声波观测装置(Ultrasound  observation apparatus)3以及监视器(Monitor)4一起构成超声波内 窥镜系统1。超声波内窥镜2具备向体内插入的细长的插入部41、配 置在插入部41的基端的操作部42、及从操作部42伸出的通用管线 (universal cord)43。
在通用管线43的基端部，配置有与光源装置(未图示)连接的 连接器44A。从连接器44A延伸出线缆45和线缆46，所述线缆45 经由连接器45A而与摄影机控制单元(未图示)连接，所述线缆46 经由连接器46A而与超声波观测装置3连接。监视器4与超声波观 测装置3连接。
插入部41构成为，从前端侧起依次连接设置有前端硬性部(以 下，称为“前端部”)47、位于前端部47的后端的弯曲部48、及位 于弯曲部48的后端且到达操作部42的、细径并且长条且具有可挠性 的可挠管部49。
并且，如图2所示，在插入部41的前端部47，配设有由多个超 声波元件20辐射状地配置而成的超声波单元30。另外，超声波单元 也可以是多个超声波元件20配置成凸形状的凸面扫描型或者是多个 超声波元件20配置在平面上的线性扫描型。
＜超声波单元的构成＞
接下来，使用图3、图4以及图5对超声波单元30的构成进行 说明。另外，在图4等中将封装部件60图示为平板状。
如图3所示，超声波单元30是在圆筒形的封装部件60的外周面 由多个俯视矩形的超声波元件20长边平行地以规定间隔配置成圆筒 状而成的辐射型振子。
如图4所示，在超声波元件20与封装部件60之间，配设有由衬 垫材料61以及接合层62A、62B构成的绝缘部件63。作为收发超声 波的基本单位的超声波元件20以具有第一主面20SA及与第一主面 20SA对置的第二主面20SB的硅基板11为基体。并且，在超声波元 件20的第一主面20SA的大致中央部形成有收发超声波的收发部21， 在第一主面20SA的两端部配设有外部电极22A、22B。如图3所示， 外部电极22A、22B分别与线缆80的导线81A、81B连接。导线81B 是接地电位线，也可以是多个超声波元件20的共用布线。例如，能 够使用线缆80的屏蔽线作为导线81B。
线缆80插通到前端部47、弯曲部48、可挠管部49、操作部42、 通用管线43及线缆46，并经由连接器46A而与超声波观测装置3连 接。
在收发部21，多个静电电容型的超声波构件10配置成矩阵状。 另外，在图4中，仅示意地示出了一部分超声波构件10。此外，超 声波构件10也可以配置成嵌入到形成于基板的凹部。
如图5所示，在形成在硅基板11之上的超声波构件10中，构成 振动片的上部电极16隔着腔体(空隙部)14A与下部电极12对置配 置。腔体(空隙部)14A通过电极间绝缘层14的蚀刻而形成。另外， 在上部电极16之上形成有上部绝缘层以及保护膜，但未图示。
此外，在硅基板11形成有由氧化硅构成的绝缘层15，但在绝缘 层15有贯通孔，因此下部电极12与硅基板处于导通状态。换言之， 能够看作与未形成有绝缘层15是相同的。
另外，超声波元件20的外部电极22A是多个超声波构件10的 下部电极12的共用电极，外部电极22B是多个超声波构件10的上部 电极16的共用电极。因此，一个超声波元件20中包括的多个超声波 构件10同时驱动。
封装部件60由例如SUS等导电材料构成，但也可以是在树脂等 的非导体基材的至少一面形成有导体层。向生物体内插入的导电性部 件为了安全而被保持在接地电位。即，封装部件60经由未图示的导 线、与上部电极16同样地被保持在接地电位。封装部件60可以与将 上部电极16保持在接地电位的导线81B连接。
多个超声波元件20经由衬垫材料61、通过接合层62(62A、62B) 而配设在封装部件60的外周面。
吸收不需要的超声波的衬垫材料61能够使用各种各样的材料， 无机材料、有机材料都能够适用。尤其是，具有较大的衰减率的环氧 类树脂或橡胶类材料中混合了填充物的材料能够有效地吸收不需要 的振动，因此是优选的。填充物使用密度比作为矩阵材料的环氧树脂、 橡胶类材料的密度高的材料时，能够更有效地使不需要的振动衰减， 因此是更优选的。此外，接合层62(62A、62B)使用包含0.5～2％ 的硅烷偶联剂(silane coupling agent)的环氧类粘着剂等是优选的。
由弹性部件构成的衬垫材料61与接合层62A、62B都是绝缘材 料，作为整体能够看作一个绝缘部件63。该绝缘部件63例如将衬垫 材料61的厚度设为50～200μm，将接合层62A以及62B的厚度设为 0.5～2.0μm等，可以根据各个材质、尺寸等而适当设定。此外，也可 以采用不设为三层的接合层、不使用衬垫材料61的构造，在此情况 下，将单一的绝缘部件63设为能够确保超声波元件20的收发驱动时 所需的绝缘的厚度以上。
并且，硅基板11上形成有极性与基板不同的低阻抗的扩散层18。 例如，在硅基板11是包含硼等3价元素的p型半导体的情况下，从 第一主面20SA形成有注入了磷等5价元素的n型的扩散层18。扩散 层18的杂质浓度比硅基板11的杂质浓度高。即，硅基板11是p－半 导体，扩散层18是n+半导体。
＜超声波单元的动作＞
在超声波发送时，通过超声波观测装置3的控制，经由导线81B 和外部电极22A对下部电极12施加驱动信号(电压)。例如，在为n +扩散层以及p－基板的情况下，施加比接地电位高的正的驱动电压。 反之，在为p+扩散层以及n－基板的情况下，施加比接地电位低的负 的驱动电压。上部电极16以及封装部件60被保持为接地电位。另外， 超声波内窥镜2中，靠近外面的上部电极16是接地电位，因此安全 性比对上部电极16施加电压的内窥镜更高。
另一方面，在接收超声波时，通过超声波观测装置3的控制，经 由外部电极22A、22B测定下部电极12与上部电极16之间的电容 C1。即，测定腔体14A成为间隙、由下部电极12和上部电极16构 成的第一电容器71的电容变化ΔC。此时，优选对下部电极12施加 偏置电压。该偏置电压的极性设为与驱动电压的极性相同。
如图6以及图7所示，在以往的超声波单元130中，绝缘部件 63成为间隙、在硅基板111(下部电极12)和封装部件60之间构成 的电容C2的第二电容器72与第一电容器71并联连接。并且，在下 部电极12与上部电极16之间夹着电极间绝缘层14而成的重叠(交 叠(overlap))区域成为电容值不变化的寄生电容，该交叠区域的电 容Co与C2的合计成为总寄生电容Cp。
其结果是，如已说明过的那样，在第一电容器71的电容变化了 ΔC的情况下，经由外部电极22A、22B测定的电容变化率D(％) 由于总寄生电容Cp而从ΔC/C1减小为ΔC/(C1+Cp)。另外，在以 下的数值计算(估计)中，将Co看作比其他的电容充分小。即看作 Cp＝C2，但即使Cp＞C2，也能够充分发挥实施方式的效果。
例如，在C1＝13pF，C2＝5.3pF，ΔC＝1.3pF的情况下，电容变 化率D从10.0％减小为7.1％。
与此相对，如图8以及图9所示，在超声波单元30中，对下部 电极12施加正的电压时，扩散层18成为正电位，因此电子向硅基板 11的扩散层侧移动。其结果是，在硅基板11的内部形成耗尽层19。 耗尽层19没有导电性，因此构成以耗尽层19为间隙的第三电容器 73。
在此，在作为p－半导体的硅基板11的受主密度为5×1011cm－3、 作为n+半导体的扩散层18的施主密度为5×1019cm－3、施加电压为 100V时，耗尽层19的厚度、即第三电容器73的间隙长为大致500μm。 因此，在设耗尽层19的介电常数为11.9时，第三电容器73的电容 C3为1.2pF。
如图9所示，第三电容器73与由绝缘部件63作为间隙而构成的 电容C2的第二电容器72串联连接，电容C2以及C3与交叠区域的 电容Co的合计为总寄生电容Cp。串联连接的第二电容器72和第三 电容器73的总电容C10为C10＝(C2×C3)/(C2+C3)。即，C2＞ C10。在此，也将Co处理为比其他的电容充分小的电容，设为Cp＝ C10，但本发明的实施并不限制于这种计算的方法。
即，在如公知那样、第二电容器72与第三电容器73串联连接时， 合成电容C10比第二电容器72的电容C2以及第三电容器73的电容 C3小，并且，电容较小的电容器的电容成为支配性的。在此，第三 电容器73的电容C3比第二电容器72的电容C2小。因此，C2＞C10。
寄生电容Cp从C2减小为C10，因此第一电容器71的电容变换 了ΔC的情况下，经由外部电极22A、22B测定的电容变化率D(％) 与未构成第三电容器73的情况相比，从ΔC/(C1+C2)增加为ΔC/ (C1+C10)。
例如，C1＝13pF、C2＝5.3pF、C3＝1.2pF、ΔC＝1.3pF的情况下， 电容变化率D从7.1％增加为9.3％。
如以上的说明，在硅基板11上有极性与基板11不同的低阻抗的 扩散层18，通过扩散层18而在基板11的内部形成的耗尽层19作为 间隙而构成第三电容器73，具有构成有该第三电容器73的超声波元 件20的超声波单元30的接收灵敏度较高。
另外，对下部电极12施加负电压的情况下，将硅基板设为n－半 导体并将扩散层设为p+半导体，由此获得与超声波单元30相同的效 果。
第三电容器的电容C3根据与第二电容器的电容C2的关系来选 择，但为了进一步高灵敏度化，优选C3≤0.5×C2，更优选的是 C3≤0.1×C2。
如以上的说明，为了减少寄生电容Cp，只要对绝缘部件63作为 间隙而构成的第二电容器串联连接第三电容器即可。因此，并不限于 在硅基板11的内部形成扩散层18以构成第三电容器的方法，例如， 也可以是通过在连接封装部件60的接地电位线的中途配置小电容电 容器来构成第三电容器的方法。
然而，事先形成实施方式的扩散层18的方法，其用于配设小电 容电容器的制造工序非常容易，适于大量生产。即，超声波元件20 是在一张硅晶片上制作多个后单片化而成的。因此，在制造工序的最 初仅在硅片上形成扩散层即可。此外，超声波单元30的构成部件数 也不会增加，因此是尤其优选的。
＜第二实施方式＞
以下，对第二实施方式的超声波单元30A以及具有超声波单元 30A的超声波内窥镜2A(以下，称为“超声波单元30A等”)进行 说明。超声波单元30A等与超声波单元30等类似，所以对相同功能 的构成要素标注相同的符号并省略说明。
在超声波单元30A中，超声波元件20的绝缘层15中没有贯通 孔，因此下部电极12与硅基板11处于绝缘状态。因此，如图10以 及图11所示，构成以绝缘层15为间隙的第四电容器74(电容C4)。
在超声波单元30A中，对下部电极12施加正的电压时，扩散层 18的绝缘层15侧成为负电位层，相反侧(封装部件侧)成为正电位 层。因此，与超声波单元30同样地，在硅基板11的内部形成耗尽层 19。耗尽层19没有导电性，因此构成以耗尽层19为间隙的第三电容 器73。
如图11所示，第三电容器73以及第四电容器74与由绝缘部件 63作为间隙而构成的电容C2的第二电容器72串联连接，交叠电容 Co与C2、C3以及C4的合计成为总寄生电容Cp。串联连接的第二 电容器72和第三电容器73和第四电容器74的合成电容C11为，C11 ＝(C2×C3×C4)/(C2×C3+C2×C4+C3×C4)。在绝缘层15较薄的 情况下，第四电容器74的电容C4比较大，但C2＞C11。在此，也 将Co处理为比其他的电容充分小的电容，设为Cp＝C11，但本发明 的实施并不限制于这种计算的方法。
寄生电容从C2减少为C11，因此第一电容器71的电容变化了ΔC 的情况下，经由外部电极22A、22B测定的电容变化率D(％)与未 构成第三电容器73的情况相比，从ΔC/(C1+C2)增加为ΔC/(C1 +C11)。
即，在超声波单元30A等中也获得与超声波单元30等相同的效 果。
另外，例如，在通过将绝缘层15形成得较厚来使下部电极12与 基板11之间的电容比耗尽层电容低的情况下、或在连接封装部件60 的接地电位线的中途配设有比耗尽层电容低的小电容电容器的情况 下，在实施方式中，为了形成耗尽层电容而形成极性与基板11不同 的扩散层18，但也可以不采用该组合而在基板上形成极性与基板11 为相同型的扩散层。
本发明并不限定于上述的实施方式等，在不改变本发明的主旨的 范围内，能够进行各种变更、改变等。此外，也可以将上述的实施方 式及变形例的构成与其他的实施方式等组合。
本申请将2012年9月7日在日本国提出申请的特愿2012－ 197407号作为优先权主张的基础而申请，作为优先权主张的基础的 申请的公开内容被引用于本申请说明书、权利要求书、说明书附图中。