電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法
【課題】 感度が高く小型化が可能な電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 背面負荷材、複合圧電体および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子。
【解決手段】 背面負荷材、複合圧電体および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気回路を一体的に設けた複合圧電体超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、超音波探触子を用いて体腔内を画像化し検査を行う超音波診断装置がよく使用されている。一般に、超音波探触子が受信するのは体内からの微弱な反射音波であるため、信号を増幅するために増幅器を設ける必要がある。しかし、増幅器がケーブルを介して探触子と接続されている場合には、ケーブルにより信号が減衰するだけでなく、ノイズの混入が避けられない。
【０００３】このような問題を解決するために、超音波探触子と増幅器とをケーブルを介さずに一体化することが試みられている。このような一体型の超音波探触子は、例えば、特表平２−５０２０７８号公報「小型空洞部をイメージ化するための装置および方法」に開示されている。
【０００４】図６に、上記文献に開示されている超音波探触子を示す。超音波探触子の本体４２は、アルミナ材からなる角柱部４２ａ、円筒部４２ｂ、両者を連結する連結部４２ｃからなる。円筒部４２ｂの外周には可とう性圧電材料（高分子圧電体）からなるリング４４が載置されている。リング４４は６４個に分割された内面の電極（図示せず）を有し、各電極は、連結部４２ｃ上の配線パターン４６を介して、角柱部４２ａ上の電極パターンと連結されている。角柱部４２ａの電極パターン上には、電極パターンに対応して複数のチップ５４が載置され、各チップ５４は電極パターンを通して互いに電気的に接続されている。一つのチップ５４からケーブル２８が引き出されている。図６の超音波探触子は以下のように動作する。ケーブル２８からの電圧は、チップ５４によって選択的にリング４４の一つの内面電極に印加される。電圧印加された内面電極の圧電素子部は、逆圧電効果により振動して超音波を外部に放出する。放出された超音波は図示しない外部反射体により反射されて、再度リング４４に入射する。入射した超音波により、圧電リング４４の一つの内面電極に圧電効果による電圧が励起される。励起電圧による信号は、チップ５４で増幅されてケーブル２８に電送される。チップ５４はマルチプレクサーと増幅器の両方の機能を果たす。伝送された信号は、図示しない観測装置に入力されて画像化される。
【０００５】しかしながら、上記超音波探触子においては、圧電体としてフレキシブルな高分子圧電体を用いているため、感度が小さいという問題点があった。また、感度を上げるために圧電体として複合圧電体を用いても、本体と圧電体とが別体で製造されるために、探触子が大型になるという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、感度が高く小型化が可能な電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、背面負荷材、複合圧電体、および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子が提供される。
【０００８】また、本発明によれば、シリコン基材の一部にエッチングを施し、エッチングされたシリコン基材を型として圧電体を注型して焼成する工程、シリコン型の部分を除去して圧電体を露出させ、露出した圧電体間に樹脂を注入して複合圧電体を作製する工程、複合圧電体の一方の面へ電極および背面負荷材を形成し、他方の面へ電極および整合層を形成して、複合圧電体超音波探触子を作製する工程、残存するシリコン基材の表面に電気回路を形成する工程の各工程を含むことを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の製造方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】（第１の実施形態）図1は、本発明に係る電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の第1の実施形態の一例を示す図であって、図１（ａ）はその概略斜視図であり、図１（ｂ）はその上面図である。本実施形態の超音波探触子1は、超音波探触子部2と電気回路部3とからなる。
【００１１】超音波探触子部２は、背面負荷材４、第１電極５、複合圧電体部６、第２電極７、整合層８、およびレンズ層９がこの順に積層された構造をなす。レンズ層９はなくても良い。複合圧電体部６は、複数の例えば互いに平行なロッド状の圧電体１０と圧電体１０の隙間を埋める樹脂１１とからなる。圧電体１０には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）のほか、ぺロブスカイト構造の他の圧電セラミクス、またはチタン酸バリウム等の鉛を含まない圧電セラミクスなどを用いることができる。
【００１２】電気回路部３は、シリコン基材１９、シリコン基材１９表面に形成された絶縁膜２０、絶縁膜２０の１つの表面（上面）に設けられた配線電極２１〜２４、これらの配線電極の上に載置されたチップ２５からなる。
【００１３】シリコン基材１９は、少なくとも超音波探触子部２の背面負荷材４、第１電極５、および複合圧電体部６の各側面に接触して、これらの部材と一体化して形成されている。
【００１４】絶縁膜２０は、超音波探触子部２と接触しないシリコン基材１９の各表面に形成されている。配線電極２１および２２は外部と連絡するケーブルと接続するための電極であり、例えば、電極２１がＧＮＤ（アース）電極、電極２２が信号電極である。配線電極２３は、超音波探触子部２の第２電極７と電気的に接続されているＧＮＤ電極である。配線電極２４は、第１電極５と電気的に接続されている信号電極である。配線電極２４は、シリコン基材１９の上面から側面にかけて絶縁膜２０上に連続して形成され、その先端部は半田、ペーストなどの接合部材２６を介して第１電極５の露出する側面と接続されている。チップ２５は内部に増幅器またはマルチプレクサなどの電気回路を有しており、チップ２５底部の入出力端子（図示せず）を介して配線電極２１〜２４と電気的に接続されている。
【００１５】次に、図１の一体型超音波探触子１の動作の一例について説明する。外部からケーブル（図示せず）を介して電極２１、２２にパルス電圧が印加される。パルス電圧はチップ２５をそのまま通過したのち、配線電極２４を通って超音波探触子部２の第１電極５に印加される。電圧が印加された複合圧電体部６は逆圧電効果により振動し、振動により発生した超音波が整合層８を通ってレンズ９表面から放射される。放射された超音波は、図示しない反射体により反射されて再度レンズ９表面に入射する。入射した超音波により、今度は圧電効果により複合圧電体６に電圧が励起される。励起電圧は再び配線電極２４を介してチップ２５に入力する。チップ２５において励起電圧は増幅されたのち、電極２２を介してケーブルに（図示せず）伝達される。伝達された電圧信号は、最終的に図示しない超音波診断装置に入力される。そして、例えば、図１の探触子１を回転軸（図示せず）に取り付けて回転させながら、超音波を逐次放射させることにより、軸に垂直な全方位についての画像を表示させることができる。
【００１６】次に、図１の一体型超音波探触子１の製造方法の一例について説明する。図２〜４は、本製造方法の工程を説明するための概略側面図である。
（１）まず、図２（ａ）に示したように、バルクのシリコン基材３０を用意する。シリコン基材３０は、例えば長さ１０ｍｍ、奥行き５ｍｍ、厚み（高さ）１ｍｍの板状体である。シリコン基材３０は、例えばシリコンウェハーからダイシングソーを用いて切り出して用意する。
【００１７】（２）次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基材３０の上面の一部（例えば上面の約半分）にプラズマエッチングを施して多数の穴５０を形成する。穴５０が形成された部分のシリコン基材３０は、次工程において圧電体を注型するための型となる。
【００１８】エッチングは例えば以下のようにして行う。まず、シリコン基材３０上にフォトレジスト材（例えば、ポジレジスト材、厚み約６μｍ）を塗布する。フォトレジスト材に複数の例えば円形のパターン（例えば直径１６μｍ）を露光したのち現像して、レジスト材のパターニングを行う。次に、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりシリコンのエッチングを行う。ディープＲＩＥ法とは弗化物のデポジットとエッチング処理を繰り返し行うことによりアスペクト比の高い穴構造を得るエッチング方法である。デポジット用ガスとしては例えばＣ4Ｆ8 を用い、エッチング用ガスとして例えばＳＦ6 を用いる。エッチングにより、シリコン基材３０上に例えば直径が１６μｍ、深さが１４０μｍの穴をピッチ間隔２０μｍで形成する。ディープＲＩＥ法を用いているため、シリコン基材３０面に対して十分垂直な側面を有する穴形状を得ることができる。エッチング後、フォトレジストを除去する。
【００１９】（３）図２（ｃ）に示すように、工程（２）で作製したシリコン型に、圧電セラミクスのスラリー３１を加振しながら流し込む。以下、スラリー３１としてＰＺＴスラリー３１を用いた例について説明する。ＰＺＴスラリー３１は、ＰＺＴ粉末（Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 )とＰＶＡ（ポリビニルアルコール)と水とを混合して作製する。また、ＰＺＴ粉末の平均粒子サイズは例えば０．３μｍである。ＰＺＴスラリー３１を流し込んだのち、１２時間以上自然乾燥させて水分を蒸発させ、ＰＺＴスラリー３１をグリーン状態とする。次に、ＰＺＴグリーン３１を２時間以上空気中で５００℃で加熱して脱脂する。ここで脱脂とはＰＺＴ粉体のバインダーであるＰＶＡを除去することである。
【００２０】次に、シリコン型中のＰＺＴ粉体３１をその密度を大きくした状態で焼結するために、脱脂した試料にＨＩＰ(ホットアイソスタティックプレシング)処理を行う。ＨＩＰ処理は、以下のようにして行う。まず、試料をＢＮ(窒化ボロン)粉末で包み込んでゴムチューブ、テープで保持したのち、水中で約１００ＭＰａの等方圧をかけてＣＩＰ(コールドアイソスタティックプレシング）処理を行う。ＢＮ粉末は、後述するガラス管への封じ込め時およびＨＩＰ処理時に、試料とガラスとの間の反応を防ぐために用いる。ＣＩＰ処理によりＰＺＴ粉体３１はかなり密に圧縮される。次に、ＢＮ粉末で包み込んだ試料をパイレックスガラスチューブに入れ、チューブ内の圧力が約１０-3Ｐａとなるまで真空引きする。その後、ガラスチューブの口をガラスの軟化点（約７５０℃）まで加熱してシールする。加熱は、ＢＮ粉末中の試料を密に包み込むために、ガスフレームバーナーを用いて行う。次に、試料をガラス管に封入した状態で、以下のようにしてＨＩＰ処理を行う。まず、ガラスに封入した試料をＡｒガス中で加熱しながら等方圧を印加する。例えば、最初に約１ＭＰａの低い圧力をかけながら温度をパイレックスガラスの軟化点まで上昇させる。次に、温度と圧力を同時に上昇させて、ＰＺＴ粉末３１が焼結（焼成）する温度１０００℃および圧力７０ＭＰａのもとで約２時間保持する。ＨＩＰ処理の後、試料をガラス管およびＢＮ粉末から取り出す。
【００２１】（４）図２（ｄ）に示すように、シリコン基材３０のエッチングされなかった部分の背面、すなわちシリコン型としてＰＺＴスラリー３１を注型しなかったシリコン基材３０の背面に、フォトレジスト材３２を塗布する。
【００２２】（５）図３（ａ）に示すように、例えばＸｅＦ2 ガスを用いてシリコン基材３０の背面をエッチングしてシリコン基材３０のシリコン型の部分のみを除去し、その後、フォトレジスト３２を除去する。エッチングにより、シリコン型によって成型された複数の林立した円柱形状の圧電セラミクス３３が露出する。各円柱形状の圧電セラミクス３３は、試料の上面に残っているＰＺＴ板３１とそれぞれつながっている。
【００２３】（６）図３（ｂ）に示すように、圧電セラミクス３３ロッドの間隙にエポキシ樹脂などの樹脂３４を充填する。充填は、例えば試料を密閉容器の中に置いた後、容器内を真空引きしながら容器に別に設けた注入口から樹脂３４を注入して、セラミクス３３の隙間に樹脂３４を充填して行う。樹脂３４を硬化させたのち背面から研磨を行って、不要な樹脂３４を除去して圧電セラミクス３３を露出させる。その後、圧電体セラミクス３３が露出した面の全面に蒸着法などにより金などからなる電極３５を設ける。電極３５が図１に示す第１電極５となる。
【００２４】（７）図３（ｃ）に示すように、電極３５上に背面負荷材として例えばアルミナが含浸されたエポキシ樹脂３６を充填して硬化させる。樹脂３６は、例えばコの字型の枠を試料の側面にあてがって電極３５上に充填する。
【００２５】（８）図３（ｄ）に示すように、試料の上面を研磨して、上面に残っているＰＺＴ３１板を除去し、圧電セラミクス３３と樹脂３４、およびシリコン基材３０を露出させる。その後、圧電セラミクス３３と樹脂３４とが露出する面の全面に蒸着法などにより金などからなる電極３７を設ける。電極３７が図１に示す第２電極７となる。
【００２６】（９）電極３７および背面負荷材３６などの、シリコン基材３０以外の試料の表面に、フォトレジストを塗布する。その後、図４（ａ）に示すように、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2 等の絶縁膜３８をシリコン基材３０の表面に形成する。絶縁膜３８の形成は、樹脂３４および３６に影響が出ない程度の低温（例えば２５℃）で行う。その後、フォトレジストを除去する。
【００２７】（１０）図４（ｂ）に示すように、マスクを介したスパッタリングまたは印刷法などによって、図１R>１に示した配線電極２１、２２、２３、および２４を絶縁膜３８上に形成する（電極２１は図示せず）。電極２３は、第２電極３７の表面の一部にもかかるように形成する。試料の側面に形成された電極２４の先端部を、半田などの接合部材２６によって第１電極３５の露出部と接続する。次に、電極３５および３７にＤＣ電圧を印加して圧電セラミクス３３の分極を行い、圧電セラミクス３３に圧電性を付与する。
【００２８】（１１）図４（ｃ）に示すように、電極３７の上に例えば２層のエポキシ樹脂からなる整合層３９を設け、その上に例えばシリコーン材からなるレンズ４０を接合する。前述したように、レンズ４０はなくても良い。
【００２９】（１２）次に、図４（ｄ）に示すように、ＩＣチップ２５を配線電極２１〜２４の上に載置する。載置は、チップ２５の底部の入出力端子（図示せず）と電極２１〜２４とが合致するように位置決めした後、ボール半田等を用いて両者を接合して行う。
【００３０】以上の工程（１）〜（１２）によって、図１R>１に示した電気回路一体型複合圧電体超音波探触子１を製造することができる。
【００３１】本実施形態の電気回路一体型超音波探触子は、複合圧電体超音波探触子の製造工程で用いるシリコン基材３０を、ＩＣチップ等の電気回路の基台としても用いている。従って、シリコン基材３０にエッチング処理等を施すことによって微細な構造の超音波探触子を作製した後に、残りの基材上に電気回路を載置するだけで一体型の超音波探触子を製造することができる。そのため、小型の電気回路一体型超音波探触子を作製することができる。また、複合圧電体を用いているため、高分子圧電体などのバルクの圧電体を用いた場合と比べて高感度な超音波探触子を実現することができる。
【００３２】なお、本実施形態の変形例として、上述の工程（７）において（図３（ｃ））、電極３５上に背面負荷材３６を接合する代わりに整合層３９およびレンズ４０を設け、工程（１１）において（図４（ｃ））電極３７上に背面負荷材３６を設けても良い。このように構成した場合、超音波が放射される音響放射面は、図１に示した超音波探触子のそれとは反対の方向、すなわちチップ２５が載置された上面と反対側の背面を向くことになるが、探触子の動作としては問題ない。
【００３３】また、本実施形態の各構成は当然、各種の変形、変更が可能である。
【００３４】例えば、工程（３）において、シリコン基材３０に作製した穴５０にスラリー３１を流し込む前に、酸化珪素や窒化珪素等の保護膜を穴５０の内面に形成することが好ましい。保護膜を形成することにより、シリコン基材３０と圧電体スラリー３１とが焼成時に反応することを防ぐことができる。これらの保護薄膜を残したまま超音波探触子を動作させても、複合圧電体の有する良好な圧電特性を得ることは可能であるが、除去した方がより高い圧電特性をもたらす電気―機械の変換効率を得ることができる。上記保護膜を除去するためには、例えば、工程（５）において（図３（ａ））、シリコン基材３０をエッチング除去して保護膜を露出させた後に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングによって、これらの保護膜をエッチング除去するなどすれば良い。
【００３５】また、本実施形態での製造方法は、圧電セラミクスとしてＰＺＴを用いた場合について説明したが、前述したその他の圧電セラミクスを用いても同様に行えることは言うまでもない。特に、圧電体セラミクスにチタン酸バリウム等の鉛を含まない圧電材料を用いた場合には、シリコン基材３０と鉛との間で相互拡散が起こらないため、上述のような保護膜を形成する必要がない。そのため、製造工程が省略できるとともに高温での焼成が可能となる。
【００３６】また、圧電体３１とシリコン型との間で熱膨張係数が異なるために焼成時に反りが発生し、試料の形状によってはシリコン型にクラックが入ることがある。このような場合には、以下のようにして解決することができる。例えば、シリコン基材３０として０．５ｍｍ以上の厚い物を用いる。または、工程（２）においてエッチングによってシリコン基材３０の両面に穴を形成し、圧電体スラリーをシリコン型の両面に注型したサンドイッチ構造として焼成する。または、注型した圧電体スラリー３１の上に別のシリコン基材を載せて、圧電体３１をシリコン基材で挟んだサンドイッチ構造として焼成する。
【００３７】また、工程（２）において、エッチングによってシリコン基材３０に貫通孔を形成し、この貫通孔にシリコン型の両面から圧電体スラリー３１を充填するようにすれば、孔の径が小さくても良好に充填が行えるため、微細な圧電構造体を歩留り良く作製することができる。
【００３８】また、上述のようにシリコン基材３０上にＩＣチップをマウントする代わりに、シリコン基材３０上にＩＣ製造プロセスを用いてＩＣを直接作製し、それを電気回路として用いても良い。
【００３９】（第２の実施形態）図５は、本発明に係る一体型超音波探触子の第２の実施形態の一例を示す図であって、図５（ａ）はその製造工程の一部を示す概略側面図であり、図５（ｂ）は完成した探触子の一例を示す上面図である。
【００４０】第２の実施形態の超音波探触子は、図１に示した探触子部２の信号電極である第１電極５が複合圧電体部６の全面に形成されておらず、離間に配置された互いに平行な複数の帯状（長方形状）に形成された構造をなす。このような構造により、各帯状電極５に対応する圧電体エレメントごとに電圧を印加することが可能になるため、各電極５に順次電圧を印加して電子走査型リニア超音波振動子として動作させることができる。
【００４１】本実施形態の超音波探触子の製造方法は、前述の第１の実施形態の超音波探触子の製造方法と比べて、図３（ｂ）に示す電極３５の形成の仕方が異なるだけである。すなわち、前述の工程（６）において（図３（ｂ））、不要な樹脂３４を除去して円柱の圧電セラミクス３３を露出させた後に、圧電セラミクス３３が露出した面に複数の帯状の電極３５を蒸着法などにより形成する（図５（ａ））。図５（ａ）の各電極３５は、紙面に垂直な方向に細長い長方形をなしており、それぞれ１または２以上の圧電セラミクス３３（圧電体エレメント）と接触している。
【００４２】図５（ｂ）に示した上面図において、電極４５は図５（ａ）に示した各帯状電極３５と接続される信号電極であり、電極４６は図１（ａ）に示した第２電極７と接続されるＧＮＤ電極である。また、電極４７は外部と連絡するケーブルと接続される信号電極であり、電極４８は外部のケーブルと接続されるＧＮＤ電極である。電極４５および４７の数は帯状電極３５の数と同じである。図５では、一例として電極３５、４５、４７および圧電体エレメントがそれぞれ８個の場合を示しているが、これ以外の数の場合にも同様にして、本実施形態を実施できることは言うまでもない。
【００４３】図５（ｂ）の各信号電極４５は、図１に示した電極２４と同様にシリコン基材３０の上面から側面にかけて絶縁膜２０上に形成され、その先端部はリード線なｓどによって図５（ａ）の各帯状電極３５と接続される。なお、図５（ｂ）においては、見やすくするためにシリコン基材３０の側面の電極４５、４７およびリード線などは省略してある。
【００４４】図５（ｂ）のチップ２５は、図１のチップ２５と同様に、チップの底部の入出力端子と電極４５〜４８とが一致するように位置決めした後、配線電極４５〜４８の上に載置して接合する。なお、図５に示した超音波探触子は、チャンネル数が増えた以外は図１の超音波探触子と同様に動作する。
【００４５】本実施形態のように電子走査型リニア超音波探触子を構成した場合でも、複合圧電体超音波探触子の製造工程で用いるシリコン基材３０をＩＣチップをマウントする基台として用いている。そのため、第１の実施形態のところで述べた理由と同様にして、小型の電気回路一体電子走査型複合圧電体超音波探触子を作製でき、また高感度な探触子が実現できる。
【００４６】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によって感度が高く小型化が可能な電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の一例を示す概略斜視図および上面図。
【図２】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図３】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図４】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の超音波探触子の製造工程の一部を示すための概略側面図および完成した超音波探触子を示すための上面図。
【図６】従来の一体型超音波探触子を示す図。
【符号の説明】
１…超音波探触子
２…超音波探触子部
３…電気回路部
４…背面負荷材
５、７、３５、３７、４５、４６、４７、４８…電極
６…複合圧電体部
８、３９…整合層
９、４０…レンズ層
１０…圧電体
１１、３４、３６…樹脂
２０、３８…絶縁膜
２１、２２、２３、２４…配線電極
２５…チップ
２６…接合部材
１９、３０…シリコン基材
３１…圧電セラミクスのスラリー
３２…フォトレジスト
３３…圧電セラミクス
５０…穴
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気回路を一体的に設けた複合圧電体超音波探触子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、超音波探触子を用いて体腔内を画像化し検査を行う超音波診断装置がよく使用されている。一般に、超音波探触子が受信するのは体内からの微弱な反射音波であるため、信号を増幅するために増幅器を設ける必要がある。しかし、増幅器がケーブルを介して探触子と接続されている場合には、ケーブルにより信号が減衰するだけでなく、ノイズの混入が避けられない。
【０００３】このような問題を解決するために、超音波探触子と増幅器とをケーブルを介さずに一体化することが試みられている。このような一体型の超音波探触子は、例えば、特表平２−５０２０７８号公報「小型空洞部をイメージ化するための装置および方法」に開示されている。
【０００４】図６に、上記文献に開示されている超音波探触子を示す。超音波探触子の本体４２は、アルミナ材からなる角柱部４２ａ、円筒部４２ｂ、両者を連結する連結部４２ｃからなる。円筒部４２ｂの外周には可とう性圧電材料（高分子圧電体）からなるリング４４が載置されている。リング４４は６４個に分割された内面の電極（図示せず）を有し、各電極は、連結部４２ｃ上の配線パターン４６を介して、角柱部４２ａ上の電極パターンと連結されている。角柱部４２ａの電極パターン上には、電極パターンに対応して複数のチップ５４が載置され、各チップ５４は電極パターンを通して互いに電気的に接続されている。一つのチップ５４からケーブル２８が引き出されている。図６の超音波探触子は以下のように動作する。ケーブル２８からの電圧は、チップ５４によって選択的にリング４４の一つの内面電極に印加される。電圧印加された内面電極の圧電素子部は、逆圧電効果により振動して超音波を外部に放出する。放出された超音波は図示しない外部反射体により反射されて、再度リング４４に入射する。入射した超音波により、圧電リング４４の一つの内面電極に圧電効果による電圧が励起される。励起電圧による信号は、チップ５４で増幅されてケーブル２８に電送される。チップ５４はマルチプレクサーと増幅器の両方の機能を果たす。伝送された信号は、図示しない観測装置に入力されて画像化される。
【０００５】しかしながら、上記超音波探触子においては、圧電体としてフレキシブルな高分子圧電体を用いているため、感度が小さいという問題点があった。また、感度を上げるために圧電体として複合圧電体を用いても、本体と圧電体とが別体で製造されるために、探触子が大型になるという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、感度が高く小型化が可能な電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、背面負荷材、複合圧電体、および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子が提供される。
【０００８】また、本発明によれば、シリコン基材の一部にエッチングを施し、エッチングされたシリコン基材を型として圧電体を注型して焼成する工程、シリコン型の部分を除去して圧電体を露出させ、露出した圧電体間に樹脂を注入して複合圧電体を作製する工程、複合圧電体の一方の面へ電極および背面負荷材を形成し、他方の面へ電極および整合層を形成して、複合圧電体超音波探触子を作製する工程、残存するシリコン基材の表面に電気回路を形成する工程の各工程を含むことを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の製造方法が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】（第１の実施形態）図1は、本発明に係る電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の第1の実施形態の一例を示す図であって、図１（ａ）はその概略斜視図であり、図１（ｂ）はその上面図である。本実施形態の超音波探触子1は、超音波探触子部2と電気回路部3とからなる。
【００１１】超音波探触子部２は、背面負荷材４、第１電極５、複合圧電体部６、第２電極７、整合層８、およびレンズ層９がこの順に積層された構造をなす。レンズ層９はなくても良い。複合圧電体部６は、複数の例えば互いに平行なロッド状の圧電体１０と圧電体１０の隙間を埋める樹脂１１とからなる。圧電体１０には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）のほか、ぺロブスカイト構造の他の圧電セラミクス、またはチタン酸バリウム等の鉛を含まない圧電セラミクスなどを用いることができる。
【００１２】電気回路部３は、シリコン基材１９、シリコン基材１９表面に形成された絶縁膜２０、絶縁膜２０の１つの表面（上面）に設けられた配線電極２１〜２４、これらの配線電極の上に載置されたチップ２５からなる。
【００１３】シリコン基材１９は、少なくとも超音波探触子部２の背面負荷材４、第１電極５、および複合圧電体部６の各側面に接触して、これらの部材と一体化して形成されている。
【００１４】絶縁膜２０は、超音波探触子部２と接触しないシリコン基材１９の各表面に形成されている。配線電極２１および２２は外部と連絡するケーブルと接続するための電極であり、例えば、電極２１がＧＮＤ（アース）電極、電極２２が信号電極である。配線電極２３は、超音波探触子部２の第２電極７と電気的に接続されているＧＮＤ電極である。配線電極２４は、第１電極５と電気的に接続されている信号電極である。配線電極２４は、シリコン基材１９の上面から側面にかけて絶縁膜２０上に連続して形成され、その先端部は半田、ペーストなどの接合部材２６を介して第１電極５の露出する側面と接続されている。チップ２５は内部に増幅器またはマルチプレクサなどの電気回路を有しており、チップ２５底部の入出力端子（図示せず）を介して配線電極２１〜２４と電気的に接続されている。
【００１５】次に、図１の一体型超音波探触子１の動作の一例について説明する。外部からケーブル（図示せず）を介して電極２１、２２にパルス電圧が印加される。パルス電圧はチップ２５をそのまま通過したのち、配線電極２４を通って超音波探触子部２の第１電極５に印加される。電圧が印加された複合圧電体部６は逆圧電効果により振動し、振動により発生した超音波が整合層８を通ってレンズ９表面から放射される。放射された超音波は、図示しない反射体により反射されて再度レンズ９表面に入射する。入射した超音波により、今度は圧電効果により複合圧電体６に電圧が励起される。励起電圧は再び配線電極２４を介してチップ２５に入力する。チップ２５において励起電圧は増幅されたのち、電極２２を介してケーブルに（図示せず）伝達される。伝達された電圧信号は、最終的に図示しない超音波診断装置に入力される。そして、例えば、図１の探触子１を回転軸（図示せず）に取り付けて回転させながら、超音波を逐次放射させることにより、軸に垂直な全方位についての画像を表示させることができる。
【００１６】次に、図１の一体型超音波探触子１の製造方法の一例について説明する。図２〜４は、本製造方法の工程を説明するための概略側面図である。
（１）まず、図２（ａ）に示したように、バルクのシリコン基材３０を用意する。シリコン基材３０は、例えば長さ１０ｍｍ、奥行き５ｍｍ、厚み（高さ）１ｍｍの板状体である。シリコン基材３０は、例えばシリコンウェハーからダイシングソーを用いて切り出して用意する。
【００１７】（２）次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基材３０の上面の一部（例えば上面の約半分）にプラズマエッチングを施して多数の穴５０を形成する。穴５０が形成された部分のシリコン基材３０は、次工程において圧電体を注型するための型となる。
【００１８】エッチングは例えば以下のようにして行う。まず、シリコン基材３０上にフォトレジスト材（例えば、ポジレジスト材、厚み約６μｍ）を塗布する。フォトレジスト材に複数の例えば円形のパターン（例えば直径１６μｍ）を露光したのち現像して、レジスト材のパターニングを行う。次に、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりシリコンのエッチングを行う。ディープＲＩＥ法とは弗化物のデポジットとエッチング処理を繰り返し行うことによりアスペクト比の高い穴構造を得るエッチング方法である。デポジット用ガスとしては例えばＣ4Ｆ8 を用い、エッチング用ガスとして例えばＳＦ6 を用いる。エッチングにより、シリコン基材３０上に例えば直径が１６μｍ、深さが１４０μｍの穴をピッチ間隔２０μｍで形成する。ディープＲＩＥ法を用いているため、シリコン基材３０面に対して十分垂直な側面を有する穴形状を得ることができる。エッチング後、フォトレジストを除去する。
【００１９】（３）図２（ｃ）に示すように、工程（２）で作製したシリコン型に、圧電セラミクスのスラリー３１を加振しながら流し込む。以下、スラリー３１としてＰＺＴスラリー３１を用いた例について説明する。ＰＺＴスラリー３１は、ＰＺＴ粉末（Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3 )とＰＶＡ（ポリビニルアルコール)と水とを混合して作製する。また、ＰＺＴ粉末の平均粒子サイズは例えば０．３μｍである。ＰＺＴスラリー３１を流し込んだのち、１２時間以上自然乾燥させて水分を蒸発させ、ＰＺＴスラリー３１をグリーン状態とする。次に、ＰＺＴグリーン３１を２時間以上空気中で５００℃で加熱して脱脂する。ここで脱脂とはＰＺＴ粉体のバインダーであるＰＶＡを除去することである。
【００２０】次に、シリコン型中のＰＺＴ粉体３１をその密度を大きくした状態で焼結するために、脱脂した試料にＨＩＰ(ホットアイソスタティックプレシング)処理を行う。ＨＩＰ処理は、以下のようにして行う。まず、試料をＢＮ(窒化ボロン)粉末で包み込んでゴムチューブ、テープで保持したのち、水中で約１００ＭＰａの等方圧をかけてＣＩＰ(コールドアイソスタティックプレシング）処理を行う。ＢＮ粉末は、後述するガラス管への封じ込め時およびＨＩＰ処理時に、試料とガラスとの間の反応を防ぐために用いる。ＣＩＰ処理によりＰＺＴ粉体３１はかなり密に圧縮される。次に、ＢＮ粉末で包み込んだ試料をパイレックスガラスチューブに入れ、チューブ内の圧力が約１０-3Ｐａとなるまで真空引きする。その後、ガラスチューブの口をガラスの軟化点（約７５０℃）まで加熱してシールする。加熱は、ＢＮ粉末中の試料を密に包み込むために、ガスフレームバーナーを用いて行う。次に、試料をガラス管に封入した状態で、以下のようにしてＨＩＰ処理を行う。まず、ガラスに封入した試料をＡｒガス中で加熱しながら等方圧を印加する。例えば、最初に約１ＭＰａの低い圧力をかけながら温度をパイレックスガラスの軟化点まで上昇させる。次に、温度と圧力を同時に上昇させて、ＰＺＴ粉末３１が焼結（焼成）する温度１０００℃および圧力７０ＭＰａのもとで約２時間保持する。ＨＩＰ処理の後、試料をガラス管およびＢＮ粉末から取り出す。
【００２１】（４）図２（ｄ）に示すように、シリコン基材３０のエッチングされなかった部分の背面、すなわちシリコン型としてＰＺＴスラリー３１を注型しなかったシリコン基材３０の背面に、フォトレジスト材３２を塗布する。
【００２２】（５）図３（ａ）に示すように、例えばＸｅＦ2 ガスを用いてシリコン基材３０の背面をエッチングしてシリコン基材３０のシリコン型の部分のみを除去し、その後、フォトレジスト３２を除去する。エッチングにより、シリコン型によって成型された複数の林立した円柱形状の圧電セラミクス３３が露出する。各円柱形状の圧電セラミクス３３は、試料の上面に残っているＰＺＴ板３１とそれぞれつながっている。
【００２３】（６）図３（ｂ）に示すように、圧電セラミクス３３ロッドの間隙にエポキシ樹脂などの樹脂３４を充填する。充填は、例えば試料を密閉容器の中に置いた後、容器内を真空引きしながら容器に別に設けた注入口から樹脂３４を注入して、セラミクス３３の隙間に樹脂３４を充填して行う。樹脂３４を硬化させたのち背面から研磨を行って、不要な樹脂３４を除去して圧電セラミクス３３を露出させる。その後、圧電体セラミクス３３が露出した面の全面に蒸着法などにより金などからなる電極３５を設ける。電極３５が図１に示す第１電極５となる。
【００２４】（７）図３（ｃ）に示すように、電極３５上に背面負荷材として例えばアルミナが含浸されたエポキシ樹脂３６を充填して硬化させる。樹脂３６は、例えばコの字型の枠を試料の側面にあてがって電極３５上に充填する。
【００２５】（８）図３（ｄ）に示すように、試料の上面を研磨して、上面に残っているＰＺＴ３１板を除去し、圧電セラミクス３３と樹脂３４、およびシリコン基材３０を露出させる。その後、圧電セラミクス３３と樹脂３４とが露出する面の全面に蒸着法などにより金などからなる電極３７を設ける。電極３７が図１に示す第２電極７となる。
【００２６】（９）電極３７および背面負荷材３６などの、シリコン基材３０以外の試料の表面に、フォトレジストを塗布する。その後、図４（ａ）に示すように、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2 等の絶縁膜３８をシリコン基材３０の表面に形成する。絶縁膜３８の形成は、樹脂３４および３６に影響が出ない程度の低温（例えば２５℃）で行う。その後、フォトレジストを除去する。
【００２７】（１０）図４（ｂ）に示すように、マスクを介したスパッタリングまたは印刷法などによって、図１R>１に示した配線電極２１、２２、２３、および２４を絶縁膜３８上に形成する（電極２１は図示せず）。電極２３は、第２電極３７の表面の一部にもかかるように形成する。試料の側面に形成された電極２４の先端部を、半田などの接合部材２６によって第１電極３５の露出部と接続する。次に、電極３５および３７にＤＣ電圧を印加して圧電セラミクス３３の分極を行い、圧電セラミクス３３に圧電性を付与する。
【００２８】（１１）図４（ｃ）に示すように、電極３７の上に例えば２層のエポキシ樹脂からなる整合層３９を設け、その上に例えばシリコーン材からなるレンズ４０を接合する。前述したように、レンズ４０はなくても良い。
【００２９】（１２）次に、図４（ｄ）に示すように、ＩＣチップ２５を配線電極２１〜２４の上に載置する。載置は、チップ２５の底部の入出力端子（図示せず）と電極２１〜２４とが合致するように位置決めした後、ボール半田等を用いて両者を接合して行う。
【００３０】以上の工程（１）〜（１２）によって、図１R>１に示した電気回路一体型複合圧電体超音波探触子１を製造することができる。
【００３１】本実施形態の電気回路一体型超音波探触子は、複合圧電体超音波探触子の製造工程で用いるシリコン基材３０を、ＩＣチップ等の電気回路の基台としても用いている。従って、シリコン基材３０にエッチング処理等を施すことによって微細な構造の超音波探触子を作製した後に、残りの基材上に電気回路を載置するだけで一体型の超音波探触子を製造することができる。そのため、小型の電気回路一体型超音波探触子を作製することができる。また、複合圧電体を用いているため、高分子圧電体などのバルクの圧電体を用いた場合と比べて高感度な超音波探触子を実現することができる。
【００３２】なお、本実施形態の変形例として、上述の工程（７）において（図３（ｃ））、電極３５上に背面負荷材３６を接合する代わりに整合層３９およびレンズ４０を設け、工程（１１）において（図４（ｃ））電極３７上に背面負荷材３６を設けても良い。このように構成した場合、超音波が放射される音響放射面は、図１に示した超音波探触子のそれとは反対の方向、すなわちチップ２５が載置された上面と反対側の背面を向くことになるが、探触子の動作としては問題ない。
【００３３】また、本実施形態の各構成は当然、各種の変形、変更が可能である。
【００３４】例えば、工程（３）において、シリコン基材３０に作製した穴５０にスラリー３１を流し込む前に、酸化珪素や窒化珪素等の保護膜を穴５０の内面に形成することが好ましい。保護膜を形成することにより、シリコン基材３０と圧電体スラリー３１とが焼成時に反応することを防ぐことができる。これらの保護薄膜を残したまま超音波探触子を動作させても、複合圧電体の有する良好な圧電特性を得ることは可能であるが、除去した方がより高い圧電特性をもたらす電気―機械の変換効率を得ることができる。上記保護膜を除去するためには、例えば、工程（５）において（図３（ａ））、シリコン基材３０をエッチング除去して保護膜を露出させた後に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングによって、これらの保護膜をエッチング除去するなどすれば良い。
【００３５】また、本実施形態での製造方法は、圧電セラミクスとしてＰＺＴを用いた場合について説明したが、前述したその他の圧電セラミクスを用いても同様に行えることは言うまでもない。特に、圧電体セラミクスにチタン酸バリウム等の鉛を含まない圧電材料を用いた場合には、シリコン基材３０と鉛との間で相互拡散が起こらないため、上述のような保護膜を形成する必要がない。そのため、製造工程が省略できるとともに高温での焼成が可能となる。
【００３６】また、圧電体３１とシリコン型との間で熱膨張係数が異なるために焼成時に反りが発生し、試料の形状によってはシリコン型にクラックが入ることがある。このような場合には、以下のようにして解決することができる。例えば、シリコン基材３０として０．５ｍｍ以上の厚い物を用いる。または、工程（２）においてエッチングによってシリコン基材３０の両面に穴を形成し、圧電体スラリーをシリコン型の両面に注型したサンドイッチ構造として焼成する。または、注型した圧電体スラリー３１の上に別のシリコン基材を載せて、圧電体３１をシリコン基材で挟んだサンドイッチ構造として焼成する。
【００３７】また、工程（２）において、エッチングによってシリコン基材３０に貫通孔を形成し、この貫通孔にシリコン型の両面から圧電体スラリー３１を充填するようにすれば、孔の径が小さくても良好に充填が行えるため、微細な圧電構造体を歩留り良く作製することができる。
【００３８】また、上述のようにシリコン基材３０上にＩＣチップをマウントする代わりに、シリコン基材３０上にＩＣ製造プロセスを用いてＩＣを直接作製し、それを電気回路として用いても良い。
【００３９】（第２の実施形態）図５は、本発明に係る一体型超音波探触子の第２の実施形態の一例を示す図であって、図５（ａ）はその製造工程の一部を示す概略側面図であり、図５（ｂ）は完成した探触子の一例を示す上面図である。
【００４０】第２の実施形態の超音波探触子は、図１に示した探触子部２の信号電極である第１電極５が複合圧電体部６の全面に形成されておらず、離間に配置された互いに平行な複数の帯状（長方形状）に形成された構造をなす。このような構造により、各帯状電極５に対応する圧電体エレメントごとに電圧を印加することが可能になるため、各電極５に順次電圧を印加して電子走査型リニア超音波振動子として動作させることができる。
【００４１】本実施形態の超音波探触子の製造方法は、前述の第１の実施形態の超音波探触子の製造方法と比べて、図３（ｂ）に示す電極３５の形成の仕方が異なるだけである。すなわち、前述の工程（６）において（図３（ｂ））、不要な樹脂３４を除去して円柱の圧電セラミクス３３を露出させた後に、圧電セラミクス３３が露出した面に複数の帯状の電極３５を蒸着法などにより形成する（図５（ａ））。図５（ａ）の各電極３５は、紙面に垂直な方向に細長い長方形をなしており、それぞれ１または２以上の圧電セラミクス３３（圧電体エレメント）と接触している。
【００４２】図５（ｂ）に示した上面図において、電極４５は図５（ａ）に示した各帯状電極３５と接続される信号電極であり、電極４６は図１（ａ）に示した第２電極７と接続されるＧＮＤ電極である。また、電極４７は外部と連絡するケーブルと接続される信号電極であり、電極４８は外部のケーブルと接続されるＧＮＤ電極である。電極４５および４７の数は帯状電極３５の数と同じである。図５では、一例として電極３５、４５、４７および圧電体エレメントがそれぞれ８個の場合を示しているが、これ以外の数の場合にも同様にして、本実施形態を実施できることは言うまでもない。
【００４３】図５（ｂ）の各信号電極４５は、図１に示した電極２４と同様にシリコン基材３０の上面から側面にかけて絶縁膜２０上に形成され、その先端部はリード線なｓどによって図５（ａ）の各帯状電極３５と接続される。なお、図５（ｂ）においては、見やすくするためにシリコン基材３０の側面の電極４５、４７およびリード線などは省略してある。
【００４４】図５（ｂ）のチップ２５は、図１のチップ２５と同様に、チップの底部の入出力端子と電極４５〜４８とが一致するように位置決めした後、配線電極４５〜４８の上に載置して接合する。なお、図５に示した超音波探触子は、チャンネル数が増えた以外は図１の超音波探触子と同様に動作する。
【００４５】本実施形態のように電子走査型リニア超音波探触子を構成した場合でも、複合圧電体超音波探触子の製造工程で用いるシリコン基材３０をＩＣチップをマウントする基台として用いている。そのため、第１の実施形態のところで述べた理由と同様にして、小型の電気回路一体電子走査型複合圧電体超音波探触子を作製でき、また高感度な探触子が実現できる。
【００４６】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によって感度が高く小型化が可能な電気回路一体型複合圧電体超音波探触子およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の一例を示す概略斜視図および上面図。
【図２】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図３】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図４】本発明に係る第１の実施形態の超音波探触子の製造工程の一例を示すための概略側面図。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の超音波探触子の製造工程の一部を示すための概略側面図および完成した超音波探触子を示すための上面図。
【図６】従来の一体型超音波探触子を示す図。
【符号の説明】
１…超音波探触子
２…超音波探触子部
３…電気回路部
４…背面負荷材
５、７、３５、３７、４５、４６、４７、４８…電極
６…複合圧電体部
８、３９…整合層
９、４０…レンズ層
１０…圧電体
１１、３４、３６…樹脂
２０、３８…絶縁膜
２１、２２、２３、２４…配線電極
２５…チップ
２６…接合部材
１９、３０…シリコン基材
３１…圧電セラミクスのスラリー
３２…フォトレジスト
３３…圧電セラミクス
５０…穴
【特許請求の範囲】
【請求項１】 背面負荷材、複合圧電体、および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子。
【請求項２】 シリコン基材の一部にエッチングを施し、エッチングされたシリコン基材を型として圧電体を注型して焼成する工程、シリコン型の部分を除去して圧電体を露出させ、露出した圧電体間に樹脂を注入して複合圧電体を作製する工程、複合圧電体の一方の面へ電極および背面負荷材を形成し、他方の面へ電極および整合層を形成して、複合圧電体超音波探触子を作製する工程、残存するシリコン基材の表面に電気回路を形成する工程の各工程を含むことを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の製造方法。
【請求項１】 背面負荷材、複合圧電体、および整合層を備えた超音波探触子と、該超音波探触子と一体化されたシリコン基材と、該シリコン基材上に載置された電気回路とを備えることを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子。
【請求項２】 シリコン基材の一部にエッチングを施し、エッチングされたシリコン基材を型として圧電体を注型して焼成する工程、シリコン型の部分を除去して圧電体を露出させ、露出した圧電体間に樹脂を注入して複合圧電体を作製する工程、複合圧電体の一方の面へ電極および背面負荷材を形成し、他方の面へ電極および整合層を形成して、複合圧電体超音波探触子を作製する工程、残存するシリコン基材の表面に電気回路を形成する工程の各工程を含むことを特徴とする電気回路一体型複合圧電体超音波探触子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０００−２９８１１９（Ｐ２０００−２９８１１９Ａ）
【公開日】平成１２年１０月２４日（２０００．１０．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−１０８１９５
【出願日】平成１１年４月１５日（１９９９．４．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年１０月２４日（２０００．１０．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年４月１５日（１９９９．４．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス光学工業株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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