超音波エレメントおよび超音波内視鏡
【課題】特性が安定し超音波エレメント２０を提供する。
【解決手段】超音波エレメント２０は、シリコン基板１１と、複数の下部電極部１２Ａと、複数の下部配線部１２Ｂと、を有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、前記下部電極部１２Ａより小さい複数のキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５と、それぞれの前記キャビティ１４を介して、それぞれの前記下部電極部１２Ａと対向配置している、前記下部電極部１２Ａより小さく前記キャビティ１４より大きい複数の上部電極部１６Ａと、複数の上部配線部１６Ｂと、を有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、を具備する。
【解決手段】超音波エレメント２０は、シリコン基板１１と、複数の下部電極部１２Ａと、複数の下部配線部１２Ｂと、を有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、前記下部電極部１２Ａより小さい複数のキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５と、それぞれの前記キャビティ１４を介して、それぞれの前記下部電極部１２Ａと対向配置している、前記下部電極部１２Ａより小さく前記キャビティ１４より大きい複数の上部電極部１６Ａと、複数の上部配線部１６Ｂと、を有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の超音波エレメント、および、前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
【０００３】
これまでは、超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されていた。これに対して、カロンティらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）を開示している。ｃ−ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
【０００４】
ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレン（振動部）を振動して超音波を発生する。また外部から超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。
【０００５】
ＵＳセルは複数の機能層が積層された構造を有する。このため上下の機能層のパターンの配設位置がずれると特性が損なわれる。例えば、下部電極部と上部電極部とが正しい位置に配設されないと対向している電極面積、言い換えれば、有効電極面積が減少してしまうため、受信感度が低下するおそれがあった。
【０００６】
特開２００７−３０１０２３号公報には、上部電極部の大きさがキャビティの大きさよりも小さいｃ−ＭＵＴが開示されている。前記ｃ−ＭＵＴは、上部電極部の大きさが小さいために、対向している電極部の面積が狭いが、上部電極部の形成位置がずれてもキャビティ直上部にある限りは有効電極面積は変化しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０１０２３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】カロンティら、マイクロエレクトロニクスジャーナル（Microelectronics Journal）、２００６年、３７巻、ｐ７７０−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、基体と、複数の下部電極部と前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部とを有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、前記下部電極部より小さい複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれの前記キャビティを介してそれぞれの前記下部電極部と対向配置している前記下部電極部より小さく前記キャビティより大きい複数の上部電極部と前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部とを有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、を具備する。
【００１１】
また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、前記記載の超音波エレメントを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。
【図２】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための上面図である。
【図５】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】第１実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図７】第１実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図８】比較例の超音波セルの積層ずれを説明するための模式図である。
【図９】第１実施形態の超音波セルの積層ずれを説明するための模式図である。
【図１０】第２実施形態の超音波エレメントの下部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１１】第２実施形態の超音波エレメントの上部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１２】第２実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１３】第２実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】第２実施形態の超音波セルの犠牲層のパターンを示す上面図である。
【図１５】第２実施形態の超音波セルの遮蔽電極部のパターンを示す上面図である。
【図１６】第２実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図１７】第３実施形態の超音波セルの構造を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して第１実施形態の超音波エレメント２０、および、超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。
【００１５】
＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
【００１６】
ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
【００１７】
挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端部３７の先端側には超音波ユニット３０が配設されている。
【００１８】
操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
【００１９】
そして、図２に示すように、超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が、設けられた先端部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
【００２０】
図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２１】
円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。また、超音波アレイ４０の、もう１方の端部には、複数の上部電極端子５１が配列している。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。すなわち同軸ケーブル束３５は、複数の信号線６２および複数の容量検出線６１の合計数と同じ本数の芯線のある同軸ケーブルからなる。
【００２２】
同軸ケーブル束３５は、先端部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
【００２３】
＜送受信部の構成＞
次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０および超音波セル（ＵＳセル）１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２４】
図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０の配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。そしてＵＳエレメント２０の一方の端部には下部電極端子５２が、他方の端部には上部電極端子５１が配設されている。
【００２５】
図５および図６に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。
【００２６】
すなわち、それぞれのＵＳセル１０は、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する。
【００２７】
下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の下部配線部１２Ｂと、を有する。下部配線部１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線部１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。
【００２８】
上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の上部配線部１６Ｂと、を有する。上部配線部１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線部１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。
【００２９】
すなわち。同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。
【００３０】
図５および図６に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５と上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成している。
【００３１】
そして、ＵＳセル１０では、キャビティ１４は下部電極部１２Ａより小さく、上部電極部１６Ａは下部電極部１２Ａより小さくキャビティ１４より大きい。すなわち、いずれも平面視円形の下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２と、円筒形のキャビティ１４の直径Ｒ１４と、上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６と、は以下の（式１）の関係にある。
【００３２】
Ｒ１２＞Ｒ１６＞Ｒ１４ （式１）
【００３３】
そして、下部電極部１２Ａ、キャビティ１４および上部電極部１６Ａは、それぞれの円の中心がシリコン基板１１に垂直な中心線Ｏと一致するように配設されている。
【００３４】
なお、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが、キャビティ１４を介して対向配置している部分が、超音波受信時に静電容量が変化する、容量可変部ＣＥである。
【００３５】
＜ＵＳエレメントの動作＞
次に、図７を用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００３６】
超音波発生時には、電圧信号発生部３Ａは駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は変形する。そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により元の形に回復する。このメンブレン１８の変形／回復により超音波が発生する。
【００３７】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８が変形する。すると上部電極部１６Ａと下部電極部１２Ａとの距離が変化するため、その間の静電容量が変化する。すると容量信号検出部３Ｂに容量変化に伴う電流が流れる。すなわち、受信した超音波エネルギーが容量信号に変換される。
【００３８】
＜積層ずれ＞
すでに説明したように、ＵＳセル１０は複数の下部電極部１２Ａの上側に中心線Ｏが共通となるようにキャビティ１４が形成されており、更にキャビティ１４の上側に中心線Ｏが共通となるように上部電極部１６Ａが形成されている。
【００３９】
しかし、製造工程においては積層ずれ、すなわち正しい位置に積層形成されないことがある。例えば図８に示す比較例のＵＳセル１１０は、上部電極部１１６Ａと下部電極部１１２Ａの大きさがキャビティ１１４よりも小さい。ＵＳセル１１０では、上部電極部１１６Ａ形成時に積層ずれ（例えば０．５μｍのパターン位置合わせずれ）が生じると、容量可変部ＣＥが小さくなってしまう。すると、ＵＳセル１１０の感度が低下する。積層ずれの大きさは製造ばらつきに起因するため、ＵＳエレメント１２０の特性は不安定である。
【００４０】
これに対して、図９に示すように、本実施形態のＵＳセル１０では上部電極部１１６Ａ形成時に例えば０．５μｍの積層ずれが生じても、容量可変部ＣＥの大きさは変化しない。このため、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２の特性は製造ばらつきがあっても安定している。
【００４１】
すでに説明したように、「下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２＞上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６＞キャビティ１４のＲ１４」であれば、上記効果がある。特に、現在の技術水準では、製造時のばらつき（積層ずれ）は数μｍ、例えば０．５〜５μｍであるため、「Ｒ１２＝Ｒ１６＋（０．５〜５μｍ）、Ｒ１６＝Ｒ１４＋（０．５〜５μｍ）」であることが好ましい。または、「Ｒ１２＝Ｒ１６×（１．０３〜１．１０）、Ｒ１６＝Ｒ１４×（１．０３〜１．１０）」であることが好ましい。
【００４２】
前記範囲内であれば、製造ばらつきによる積層ずれが生じても、容量可変部ＣＥの大きさは変化しないため、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２の特性は安定している。
【００４３】
＜配線部間の寄生容量＞
更に、図６等に示したように、ＵＳエレメント２０の下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは長手方向が直交している。すなわち、図１０に示すように下部配線部１２Ｂは下部電極部１２ＡからＹ軸方向に延設されているのに対して、図１１に示すように、上部配線部１６Ｂは上部電極部１６ＡからＺ軸方向に延設されている。
【００４４】
ここでＵＳエレメント２０では容量信号検出部３Ｂが検出する静電容量は、すでに説明した容量可変部ＣＥの静電容量と寄生容量との合計である。ここで、寄生容量とはメンブレン１８の変形があっても変化しない容量固定部の静電容量である。例えば、下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとが対向配置されていると、その間に寄生容量が発生する。
【００４５】
これに対して、上部配線部１６Ｂと下部配線部１２Ｂとが対向配置しないように、互いに直交する方向に配設されているＵＳエレメント２０は、上部配線部１６Ｂと下部配線部１２Ｂとの間で寄生容量が生じないため、超音波の受信感度が高い。
【００４６】
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４７】
図１２に示すように、ＵＳエレメント２０ＡのＵＳセル１０Ａは、下部電極部１２Ａの外周部と上部電極部１６Ａの外周部とが対向配置している領域を含むキャビティ１４の外周部に遮蔽電極部７１を具備する。後述するように、キャビティ１４が、上部絶縁層１５に覆われた導電性材料からなる犠牲層７０がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、遮蔽電極部７１が、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。そして、遮蔽電極部７１はグランド電位の遮蔽電極端子５３と接続されている。
【００４８】
＜ＵＳエレメント２０Ａの製造方法＞
次に、図１３（Ａ）〜図１３（Ｆ）、図１４および図１５を用いてＵＳエレメント２０Ａの製造方法について簡単に説明する。なお、すでに説明したＵＳエレメント２０の製造方法も遮蔽電極部７１の作製を除いてほぼ同じである。
【００４９】
＜ステップＳ１１＞下部電極層形成
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、またはアルミニウムからなる導電性材料が、シリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとを有する下部電極層１２が形成される。
【００５０】
＜ステップＳ１２＞下部絶縁層形成
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００５１】
＜ステップＳ１３＞犠牲層形成
下部絶縁層１３の上に、導電性材料の中から選択されたエッチングにより除去可能な材料からなる犠牲層材料が成膜される。そして、図１３（Ａ）に示すように犠牲層７０の上に、フォトリソグラフィによるマスクパターン７５が形成される。
【００５２】
＜ステップＳ１４＞犠牲層パターニング
図１３（Ｂ）および図１４に示すように、犠牲層７０が、エッチング処理により、キャビティの形状（円柱状）のキャビティ部７２と、遮蔽電極部７１と、にドーナツ状の溝部７０Ａを介して分離される。
【００５３】
犠牲層７０の厚さは、キャビティ１４の高さとなるために、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
【００５４】
＜ステップＳ１５＞上部絶縁層形成
図１３（Ｃ）に示すように、犠牲層パターン（キャビティ部７２および遮蔽電極部７１）の上面に、上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。このとき、すでに説明したように、溝部７０Ａの内部にも上部絶縁層１５Ａが形成される。
【００５５】
ここで、上部絶縁層１５は、犠牲層パターンを覆うように形成されるために、犠牲層パターン厚さの影響で凹凸が生じることがある。すると、上部絶縁層の上に形成した上部電極層と下部電極層との絶縁が悪くなりＵＳセルの動作が不安定になることがある。
【００５６】
このため、上部絶縁層を形成後に、その表面を平坦化加工することが好ましい。平坦化加工には、例えば、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を好ましく用いることができる。
【００５７】
上部絶縁層の上表面が平坦であるＵＳエレメントは特性が安定している。
【００５８】
そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、キャビティ部７２を除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
【００５９】
＜ステップＳ１６＞キャビティ形成（遮蔽電極部形成）
次に、図１３（Ｄ）および図１５に示すように、キャビティ部７２のエッチング除去によりキャビティ１４が形成される。遮蔽電極部７１は上部絶縁層１５Ａによりキャビティ部７２と分離されているため、エッチング剤により除去されない。すなわち、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００６０】
例えば犠牲層７０としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層７０として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
【００６１】
なお、キャビティ１４は円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。
【００６２】
また、平面視形状が円形ではない場合も、上部電極部１６Ａ等のパターンは、大きいパターンが小さいパターンを内包可能な大きさであればよい。
【００６３】
＜ステップＳ１７＞上部電極層形成
図１３（Ｅ）に示すように、下部電極層１２と同様の方法および同様の材料により、上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとを有する上部電極層１６が形成される。
【００６４】
＜ステップＳ１８＞保護層形成
図１３（Ｆ）に示すように、ＵＳエレメント２０の表面が、保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。
【００６５】
なお、説明を省略したが、下部電極形成工程では下部電極端子５２も形成されており、上部電極形成工程では上部電極端子５１も形成されており、遮蔽電極形成工程（犠牲層形成）では遮蔽電極端子５３も形成されている。保護層１７は、下部電極端子５２、上部電極端子５１および遮蔽電極端子５３を覆わないように形成される。
【００６６】
保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため、特に好ましくはポリイミドである。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。
【００６７】
次に、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。
【００６８】
＜ＵＳエレメント２０Ａの動作＞
次に、図１６を用いて、ＵＳエレメント２０Ａの動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介してグランド電位となっている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００６９】
しかし、ＵＳエレメント２０Ａでは、メンブレン１８の外周領域で、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している部分がある。この対向部分はコンデンサを形成しているが、超音波を受信しても静電容量が変化しない寄生容量部（固定容量部）１９である。寄生容量部１９の静電容量が大きいと、メンブレン１８（容量可変部）の静電容量が変化しても、容量信号検出部３Ｂで検出される容量信号（静電容量）の変化率は小さくなってしまう。
【００７０】
ここで、ＵＳエレメント２０Ａでは、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している外周部にグランド電位の遮蔽電極部７１が配設されている。このため、下部電極部１２Ａと遮蔽電極部７１とが対向配置している部分の上の上部電極部１６Ａは、下部電極部１２Ａとコンデンサを形成していない。すなわち上部電極部１６Ａの外周部は寄生容量の原因とならない。このため、ＵＳエレメント２０Ａは、遮蔽電極部７１のないＵＳエレメント２０よりも超音波の受信感度が高い。
【００７１】
また、遮蔽電極部７４は、犠牲層７０により形成されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００７２】
更に、ＵＳエレメント２０Ａはたとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部配線部１２Ｂの上側はグランド電位の遮蔽電極部７４に覆われている。このため、下部配線部１２Ｂに印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ａの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、更に特性が安定している。
【００７３】
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００７４】
図１７に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂでは、上部電極部１６Ａは、中央部の厚さが外周部の厚さよりも薄い。ここで外周部とはメンブレンを構成しない領域である。なお、上部配線部１６Ｂの厚さは、上部電極部１６Ａの外周部と同じ厚さであることが好ましい。
【００７５】
メンブレン１８を構成する上部電極部１６Ａの中央部の厚さが薄いとメンブレン１８が振動しやすいため、ＵＳセル１０Ｂを有するＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは高感度である。
【００７６】
なお、上部電極部１６Ａの厚さは、外周部から中央部に向かって徐々に薄くなってもよい。また、メンブレン１８を構成する上部電極部１６Ａが、多数の凹部または貫通孔を有していてもよい。すなわち、厚さとは平均膜厚であってもよい。
【００７７】
本発明は、上述した実施形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…超音波内視鏡システム、２、２Ａ、２Ｂ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、３Ａ…電圧信号発生部、３Ｂ…容量信号検出部、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極部、１２Ｂ…下部配線部、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１５Ａ…上部絶縁層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極部、１６Ｂ…上部配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、１９…寄生容量部、２０、２０Ａ、２０Ｂ…超音波エレメント、４０…超音波アレイ、５１…上部電極端子、５２…下部電極端子、５３…遮蔽電極端子、７０…犠牲層、７０Ａ…溝部、７１…遮蔽電極部、７２…キャビティ部、７４…遮蔽電極部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の超音波エレメント、および、前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
【０００３】
これまでは、超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されていた。これに対して、カロンティらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）を開示している。ｃ−ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
【０００４】
ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレン（振動部）を振動して超音波を発生する。また外部から超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。
【０００５】
ＵＳセルは複数の機能層が積層された構造を有する。このため上下の機能層のパターンの配設位置がずれると特性が損なわれる。例えば、下部電極部と上部電極部とが正しい位置に配設されないと対向している電極面積、言い換えれば、有効電極面積が減少してしまうため、受信感度が低下するおそれがあった。
【０００６】
特開２００７−３０１０２３号公報には、上部電極部の大きさがキャビティの大きさよりも小さいｃ−ＭＵＴが開示されている。前記ｃ−ＭＵＴは、上部電極部の大きさが小さいために、対向している電極部の面積が狭いが、上部電極部の形成位置がずれてもキャビティ直上部にある限りは有効電極面積は変化しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３０１０２３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】カロンティら、マイクロエレクトロニクスジャーナル（Microelectronics Journal）、２００６年、３７巻、ｐ７７０−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、基体と、複数の下部電極部と前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部とを有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、前記下部電極部より小さい複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれの前記キャビティを介してそれぞれの前記下部電極部と対向配置している前記下部電極部より小さく前記キャビティより大きい複数の上部電極部と前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部とを有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、を具備する。
【００１１】
また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、前記記載の超音波エレメントを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。
【図２】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための上面図である。
【図５】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】第１実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図７】第１実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図８】比較例の超音波セルの積層ずれを説明するための模式図である。
【図９】第１実施形態の超音波セルの積層ずれを説明するための模式図である。
【図１０】第２実施形態の超音波エレメントの下部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１１】第２実施形態の超音波エレメントの上部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１２】第２実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１３】第２実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】第２実施形態の超音波セルの犠牲層のパターンを示す上面図である。
【図１５】第２実施形態の超音波セルの遮蔽電極部のパターンを示す上面図である。
【図１６】第２実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図１７】第３実施形態の超音波セルの構造を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して第１実施形態の超音波エレメント２０、および、超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。
【００１５】
＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
【００１６】
ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
【００１７】
挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端部３７の先端側には超音波ユニット３０が配設されている。
【００１８】
操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
【００１９】
そして、図２に示すように、超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が、設けられた先端部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
【００２０】
図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２１】
円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。また、超音波アレイ４０の、もう１方の端部には、複数の上部電極端子５１が配列している。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。すなわち同軸ケーブル束３５は、複数の信号線６２および複数の容量検出線６１の合計数と同じ本数の芯線のある同軸ケーブルからなる。
【００２２】
同軸ケーブル束３５は、先端部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
【００２３】
＜送受信部の構成＞
次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０および超音波セル（ＵＳセル）１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２４】
図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０の配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。そしてＵＳエレメント２０の一方の端部には下部電極端子５２が、他方の端部には上部電極端子５１が配設されている。
【００２５】
図５および図６に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。
【００２６】
すなわち、それぞれのＵＳセル１０は、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する。
【００２７】
下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の下部配線部１２Ｂと、を有する。下部配線部１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線部１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。
【００２８】
上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の上部配線部１６Ｂと、を有する。上部配線部１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線部１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。
【００２９】
すなわち。同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。
【００３０】
図５および図６に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５と上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成している。
【００３１】
そして、ＵＳセル１０では、キャビティ１４は下部電極部１２Ａより小さく、上部電極部１６Ａは下部電極部１２Ａより小さくキャビティ１４より大きい。すなわち、いずれも平面視円形の下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２と、円筒形のキャビティ１４の直径Ｒ１４と、上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６と、は以下の（式１）の関係にある。
【００３２】
Ｒ１２＞Ｒ１６＞Ｒ１４ （式１）
【００３３】
そして、下部電極部１２Ａ、キャビティ１４および上部電極部１６Ａは、それぞれの円の中心がシリコン基板１１に垂直な中心線Ｏと一致するように配設されている。
【００３４】
なお、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが、キャビティ１４を介して対向配置している部分が、超音波受信時に静電容量が変化する、容量可変部ＣＥである。
【００３５】
＜ＵＳエレメントの動作＞
次に、図７を用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００３６】
超音波発生時には、電圧信号発生部３Ａは駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は変形する。そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により元の形に回復する。このメンブレン１８の変形／回復により超音波が発生する。
【００３７】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８が変形する。すると上部電極部１６Ａと下部電極部１２Ａとの距離が変化するため、その間の静電容量が変化する。すると容量信号検出部３Ｂに容量変化に伴う電流が流れる。すなわち、受信した超音波エネルギーが容量信号に変換される。
【００３８】
＜積層ずれ＞
すでに説明したように、ＵＳセル１０は複数の下部電極部１２Ａの上側に中心線Ｏが共通となるようにキャビティ１４が形成されており、更にキャビティ１４の上側に中心線Ｏが共通となるように上部電極部１６Ａが形成されている。
【００３９】
しかし、製造工程においては積層ずれ、すなわち正しい位置に積層形成されないことがある。例えば図８に示す比較例のＵＳセル１１０は、上部電極部１１６Ａと下部電極部１１２Ａの大きさがキャビティ１１４よりも小さい。ＵＳセル１１０では、上部電極部１１６Ａ形成時に積層ずれ（例えば０．５μｍのパターン位置合わせずれ）が生じると、容量可変部ＣＥが小さくなってしまう。すると、ＵＳセル１１０の感度が低下する。積層ずれの大きさは製造ばらつきに起因するため、ＵＳエレメント１２０の特性は不安定である。
【００４０】
これに対して、図９に示すように、本実施形態のＵＳセル１０では上部電極部１１６Ａ形成時に例えば０．５μｍの積層ずれが生じても、容量可変部ＣＥの大きさは変化しない。このため、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２の特性は製造ばらつきがあっても安定している。
【００４１】
すでに説明したように、「下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２＞上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６＞キャビティ１４のＲ１４」であれば、上記効果がある。特に、現在の技術水準では、製造時のばらつき（積層ずれ）は数μｍ、例えば０．５〜５μｍであるため、「Ｒ１２＝Ｒ１６＋（０．５〜５μｍ）、Ｒ１６＝Ｒ１４＋（０．５〜５μｍ）」であることが好ましい。または、「Ｒ１２＝Ｒ１６×（１．０３〜１．１０）、Ｒ１６＝Ｒ１４×（１．０３〜１．１０）」であることが好ましい。
【００４２】
前記範囲内であれば、製造ばらつきによる積層ずれが生じても、容量可変部ＣＥの大きさは変化しないため、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２の特性は安定している。
【００４３】
＜配線部間の寄生容量＞
更に、図６等に示したように、ＵＳエレメント２０の下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは長手方向が直交している。すなわち、図１０に示すように下部配線部１２Ｂは下部電極部１２ＡからＹ軸方向に延設されているのに対して、図１１に示すように、上部配線部１６Ｂは上部電極部１６ＡからＺ軸方向に延設されている。
【００４４】
ここでＵＳエレメント２０では容量信号検出部３Ｂが検出する静電容量は、すでに説明した容量可変部ＣＥの静電容量と寄生容量との合計である。ここで、寄生容量とはメンブレン１８の変形があっても変化しない容量固定部の静電容量である。例えば、下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとが対向配置されていると、その間に寄生容量が発生する。
【００４５】
これに対して、上部配線部１６Ｂと下部配線部１２Ｂとが対向配置しないように、互いに直交する方向に配設されているＵＳエレメント２０は、上部配線部１６Ｂと下部配線部１２Ｂとの間で寄生容量が生じないため、超音波の受信感度が高い。
【００４６】
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４７】
図１２に示すように、ＵＳエレメント２０ＡのＵＳセル１０Ａは、下部電極部１２Ａの外周部と上部電極部１６Ａの外周部とが対向配置している領域を含むキャビティ１４の外周部に遮蔽電極部７１を具備する。後述するように、キャビティ１４が、上部絶縁層１５に覆われた導電性材料からなる犠牲層７０がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、遮蔽電極部７１が、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。そして、遮蔽電極部７１はグランド電位の遮蔽電極端子５３と接続されている。
【００４８】
＜ＵＳエレメント２０Ａの製造方法＞
次に、図１３（Ａ）〜図１３（Ｆ）、図１４および図１５を用いてＵＳエレメント２０Ａの製造方法について簡単に説明する。なお、すでに説明したＵＳエレメント２０の製造方法も遮蔽電極部７１の作製を除いてほぼ同じである。
【００４９】
＜ステップＳ１１＞下部電極層形成
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、またはアルミニウムからなる導電性材料が、シリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとを有する下部電極層１２が形成される。
【００５０】
＜ステップＳ１２＞下部絶縁層形成
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００５１】
＜ステップＳ１３＞犠牲層形成
下部絶縁層１３の上に、導電性材料の中から選択されたエッチングにより除去可能な材料からなる犠牲層材料が成膜される。そして、図１３（Ａ）に示すように犠牲層７０の上に、フォトリソグラフィによるマスクパターン７５が形成される。
【００５２】
＜ステップＳ１４＞犠牲層パターニング
図１３（Ｂ）および図１４に示すように、犠牲層７０が、エッチング処理により、キャビティの形状（円柱状）のキャビティ部７２と、遮蔽電極部７１と、にドーナツ状の溝部７０Ａを介して分離される。
【００５３】
犠牲層７０の厚さは、キャビティ１４の高さとなるために、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
【００５４】
＜ステップＳ１５＞上部絶縁層形成
図１３（Ｃ）に示すように、犠牲層パターン（キャビティ部７２および遮蔽電極部７１）の上面に、上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。このとき、すでに説明したように、溝部７０Ａの内部にも上部絶縁層１５Ａが形成される。
【００５５】
ここで、上部絶縁層１５は、犠牲層パターンを覆うように形成されるために、犠牲層パターン厚さの影響で凹凸が生じることがある。すると、上部絶縁層の上に形成した上部電極層と下部電極層との絶縁が悪くなりＵＳセルの動作が不安定になることがある。
【００５６】
このため、上部絶縁層を形成後に、その表面を平坦化加工することが好ましい。平坦化加工には、例えば、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を好ましく用いることができる。
【００５７】
上部絶縁層の上表面が平坦であるＵＳエレメントは特性が安定している。
【００５８】
そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、キャビティ部７２を除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
【００５９】
＜ステップＳ１６＞キャビティ形成（遮蔽電極部形成）
次に、図１３（Ｄ）および図１５に示すように、キャビティ部７２のエッチング除去によりキャビティ１４が形成される。遮蔽電極部７１は上部絶縁層１５Ａによりキャビティ部７２と分離されているため、エッチング剤により除去されない。すなわち、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００６０】
例えば犠牲層７０としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層７０として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
【００６１】
なお、キャビティ１４は円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。
【００６２】
また、平面視形状が円形ではない場合も、上部電極部１６Ａ等のパターンは、大きいパターンが小さいパターンを内包可能な大きさであればよい。
【００６３】
＜ステップＳ１７＞上部電極層形成
図１３（Ｅ）に示すように、下部電極層１２と同様の方法および同様の材料により、上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとを有する上部電極層１６が形成される。
【００６４】
＜ステップＳ１８＞保護層形成
図１３（Ｆ）に示すように、ＵＳエレメント２０の表面が、保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。
【００６５】
なお、説明を省略したが、下部電極形成工程では下部電極端子５２も形成されており、上部電極形成工程では上部電極端子５１も形成されており、遮蔽電極形成工程（犠牲層形成）では遮蔽電極端子５３も形成されている。保護層１７は、下部電極端子５２、上部電極端子５１および遮蔽電極端子５３を覆わないように形成される。
【００６６】
保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため、特に好ましくはポリイミドである。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。
【００６７】
次に、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。
【００６８】
＜ＵＳエレメント２０Ａの動作＞
次に、図１６を用いて、ＵＳエレメント２０Ａの動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介してグランド電位となっている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００６９】
しかし、ＵＳエレメント２０Ａでは、メンブレン１８の外周領域で、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している部分がある。この対向部分はコンデンサを形成しているが、超音波を受信しても静電容量が変化しない寄生容量部（固定容量部）１９である。寄生容量部１９の静電容量が大きいと、メンブレン１８（容量可変部）の静電容量が変化しても、容量信号検出部３Ｂで検出される容量信号（静電容量）の変化率は小さくなってしまう。
【００７０】
ここで、ＵＳエレメント２０Ａでは、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している外周部にグランド電位の遮蔽電極部７１が配設されている。このため、下部電極部１２Ａと遮蔽電極部７１とが対向配置している部分の上の上部電極部１６Ａは、下部電極部１２Ａとコンデンサを形成していない。すなわち上部電極部１６Ａの外周部は寄生容量の原因とならない。このため、ＵＳエレメント２０Ａは、遮蔽電極部７１のないＵＳエレメント２０よりも超音波の受信感度が高い。
【００７１】
また、遮蔽電極部７４は、犠牲層７０により形成されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００７２】
更に、ＵＳエレメント２０Ａはたとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部配線部１２Ｂの上側はグランド電位の遮蔽電極部７４に覆われている。このため、下部配線部１２Ｂに印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ａの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、更に特性が安定している。
【００７３】
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００７４】
図１７に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂでは、上部電極部１６Ａは、中央部の厚さが外周部の厚さよりも薄い。ここで外周部とはメンブレンを構成しない領域である。なお、上部配線部１６Ｂの厚さは、上部電極部１６Ａの外周部と同じ厚さであることが好ましい。
【００７５】
メンブレン１８を構成する上部電極部１６Ａの中央部の厚さが薄いとメンブレン１８が振動しやすいため、ＵＳセル１０Ｂを有するＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは高感度である。
【００７６】
なお、上部電極部１６Ａの厚さは、外周部から中央部に向かって徐々に薄くなってもよい。また、メンブレン１８を構成する上部電極部１６Ａが、多数の凹部または貫通孔を有していてもよい。すなわち、厚さとは平均膜厚であってもよい。
【００７７】
本発明は、上述した実施形態または変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…超音波内視鏡システム、２、２Ａ、２Ｂ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、３Ａ…電圧信号発生部、３Ｂ…容量信号検出部、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極部、１２Ｂ…下部配線部、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１５Ａ…上部絶縁層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極部、１６Ｂ…上部配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、１９…寄生容量部、２０、２０Ａ、２０Ｂ…超音波エレメント、４０…超音波アレイ、５１…上部電極端子、５２…下部電極端子、５３…遮蔽電極端子、７０…犠牲層、７０Ａ…溝部、７１…遮蔽電極部、７２…キャビティ部、７４…遮蔽電極部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、
下部絶縁層と、
前記下部電極部より小さい複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、
それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している、前記下部電極部より小さく前記キャビティより大きい複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、
保護層と、を具備することを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記上部配線部と前記下部配線部とが、対向配置しないように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
【請求項３】
前記下部電極部の外周部と前記上部電極部の外周部とが対向配置している領域を含む前記キャビティの外周部に、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を具備することを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記遮蔽電極部が、前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であることを特徴とする請求項３に記載の超音波エレメント。
【請求項５】
前記上部絶縁層の上表面が平坦であることを特徴とする請求項４に記載の超音波エレメント。
【請求項６】
前記上部電極部は、中央部の厚さが前記外周部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項５に記載の超音波エレメント。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波エレメントを有する先端部を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
【請求項１】
基体と、
複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、
下部絶縁層と、
前記下部電極部より小さい複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、
それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している、前記下部電極部より小さく前記キャビティより大きい複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するグランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、
保護層と、を具備することを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記上部配線部と前記下部配線部とが、対向配置しないように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
【請求項３】
前記下部電極部の外周部と前記上部電極部の外周部とが対向配置している領域を含む前記キャビティの外周部に、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を具備することを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記遮蔽電極部が、前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であることを特徴とする請求項３に記載の超音波エレメント。
【請求項５】
前記上部絶縁層の上表面が平坦であることを特徴とする請求項４に記載の超音波エレメント。
【請求項６】
前記上部電極部は、中央部の厚さが前記外周部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項５に記載の超音波エレメント。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波エレメントを有する先端部を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−２１５１０（Ｐ２０１３−２１５１０Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３２７７（Ｐ２０１１−１５３２７７）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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