專利名稱：超聲波探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于收發(fā)超聲波的超聲波探頭。
背景技術(shù)：
作為在利用超聲波檢查受檢者的領(lǐng)域應(yīng)用的d往的超聲波探頭，提出
了由在硅基板上制作的間隙(gap)、絕緣層、電極構(gòu)成收發(fā)元件，在該硅 基板的相反面設(shè)置有聲阻抗匹配的阻尼(damping)層的超聲波探頭。該 超聲波探頭具有如下所示的功能，即，向電極和硅基板之間施加DC電壓 (偏壓)，縮小間隙至某規(guī)定的位置，進而向電極和硅基板之間施加AC 電壓(超聲波發(fā)射用驅(qū)動電壓)，使間隙伸縮，由此發(fā)送超聲波。另外， 還兼有如下所示的功能，即，通過達到受檢者后反射的超聲波檢測出電極 和硅基板之間的電容變化后接收超聲波。在這里，阻尼層具有減輕超聲波 在收發(fā)時的反射的作用。作為具體的阻尼層，使用通過在環(huán)氧樹脂中混合 鎢微粒而使得與硅基板的聲阻抗匹配的材料。作為與該以往技術(shù)相關(guān)的文 獻，例如可以舉出美國專利第6714484B2號說明書(專利文獻1)。 專利文獻l:美國專利第6714484B2號說明書
在通過靜電驅(qū)動收發(fā)超聲波的超聲波探頭中，需要高密度地形成超聲 波換能器(transducers),所以通過利用半導(dǎo)體制造技術(shù)、MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)的微細加工，制作超聲波探頭。這些微 細加工技術(shù)是以硅為基礎(chǔ)基板而使用的技術(shù)。在超聲波探頭中，為了減輕 收發(fā)時的反射，需要在硅基板和阻尼層之間使聲阻抗匹配。因此，在專利 文獻1中，為了使基礎(chǔ)基板和阻尼層的聲阻抗匹配，作為阻尼層的材料， 使用在環(huán)氧樹脂中僅混合適量鎢微粒的材料。此時，可以匹配基礎(chǔ)基板和 阻尼層的聲阻抗，但由于基礎(chǔ)基板和阻尼層的線膨脹系數(shù)不同，所以，由 于溫度變化導(dǎo)致的基礎(chǔ)基板的變形，存在基礎(chǔ)基板壞掉的可能性，有結(jié)構(gòu) 可靠性不夠充分的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種可以防止由溫度變化引起的硅基板的損 傷且收發(fā)性能以及結(jié)構(gòu)可靠性出色的超聲波探頭。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的超聲波探頭包括具有硅基板和超聲波 收發(fā)元件的第一基板、在所述第一基板的上面設(shè)置的聲透鏡、和在所述第 一基板的下方設(shè)置的阻尼層，在所述第一基板的下面和所述阻尼層的上面 之間設(shè)置有第二基板，所述第二基板由具有與所述第一基板的硅基板大致 相同的線膨脹系數(shù)以及聲阻抗的材料形成。
本發(fā)明的更優(yōu)選具體結(jié)構(gòu)例如下所示。
(1) 所述第一基板在兼作下部電極的所述硅基板上設(shè)置絕緣層、間 隙以及上部電極而構(gòu)成所述超聲波收發(fā)元件。
(2) 在上述(1)中，所述超聲波收發(fā)元件形成為包括兼作所述下 部電極的所述硅基板、在所述硅基板的上面形成的第一絕緣層、在所述第 一絕緣層的上面形成的第二絕緣層、在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層 之間形成的多個所述間隙、以及在所述第二絕緣層內(nèi)分別與所述多個間隙 對應(yīng)的位置上形成的多個所述上部電極。
(3) 所述第一基板在所述硅基板上設(shè)置絕緣層、下部電極、間隙以 及上部電極而構(gòu)成所述超聲波收發(fā)元件。
(4) 在上述(3)中，所述超聲波收發(fā)元件形成為包括在所述硅基 板的上面形成的第一絕緣層、在所述第一絕緣層的上面形成的第二絕緣 層、在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層之間形成的多個所述間隙、在所 述第二絕緣層內(nèi)分別與所述多個間隙對應(yīng)的下方的位置上形成的所述下 部電極、以及在所述第二絕緣層內(nèi)分別與所述多個間隙對應(yīng)的上方的位置 上形成的多個所述上部電極。
(5) 分別借助粘接層固定了所述第一基板和所述第二基板、所述第 二基板和所述阻尼層。
(6) 上述第二基板的材料為氮化鋁或42合金。
(7) 上述硅基板上的絕緣層是由氧化硅、氮化硅中的至少一種以上
形成的。
(發(fā)明效果)
通過本發(fā)明，可以防止由溫度變化引起的硅基板的損傷，可以實現(xiàn)收 發(fā)性能以及結(jié)構(gòu)可靠性出色的超聲波探頭。


圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式的超聲波探頭的剖視圖。 圖2是圖1的超聲波收發(fā)元件部分的放大圖。
圖3是對圖2的超聲波收發(fā)元件的動作原理進行說明的圖。 圖4是本發(fā)明的第二實施方式的超聲波探頭的超聲波收發(fā)元件部分 的放大圖。
圖5是本發(fā)明的第三實施方式的超聲波探頭的剖視圖。 圖中2…超聲波探頭，3…超聲波收發(fā)元件，11…聲透鏡，12…粘接 層，20…第一基板，21…硅基板，22…絕緣層，23…絕緣層，24…間隙， 25…上部電極，27…下部電極，31…第二基板，32…粘接層，41…阻尼層， 42…粘接層。
具體實施例方式
以下，利用附圖對本發(fā)明的多個實施方式進行說明。各實施方式的圖 中的相同符號表示相同物或相當(dāng)物。 (第一實施方式)
使用圖1至圖3說明本發(fā)明的第一實施方式的超聲波探頭。圖1是本 發(fā)明的第一實施方式的超聲波探頭2的剖視圖，圖2是圖1的超聲波收發(fā) 元件3部分的放大圖，圖3是對圖2的超聲波收發(fā)元件3的動作原理進行 說明的圖。
超聲波探頭2如圖1所示是線型超聲波探頭，包括具有硅基板21 (參照圖2)以及收發(fā)元件部A (詳細情況參照圖2)的第一基板20、在 第一基板20的上面設(shè)置的聲透鏡11、在第一基板20的下方設(shè)置的阻尼 層41、和在第一基板20的下面和阻尼層41的上面之間設(shè)置的第二基板 31。
阻尼層41具有減輕收發(fā)時超聲波的反射且使己透過的超聲波衰減的
作用，如圖1以及圖2所示，形成為比第一基板20和第二基板31足夠厚， 并以構(gòu)成超聲波探頭2的底部的方式配置。該阻尼層41的材料使用在環(huán) 氧樹脂中混合用于通過多重反射使超聲波衰減的鎢微粒得到的材料、或者 鐵氧體橡膠，以使得聲阻抗與硅基板21接近。
第二基板31具有防止由溫度變化引起的硅基板21的損傷的作用，如 圖2所示，厚度與硅基板21的厚度大致相同，或者形成得較厚，并配置 在阻尼層41的上面和第一基板20的硅基板21的下面之間。該第二基板 31的材料使用線膨脹系數(shù)與硅基板21大致相同且聲阻抗接近的材料，例 如氮化鋁或42合金(42Alloy)。
圖1的第一基板20具有超聲波收發(fā)的作用，如圖2所示，在硅基板 21上形成第一絕緣層22，在其上包括內(nèi)部具有間隙24、上部電極25的 第二絕緣層23，由此構(gòu)成第一基板20，并被配置在聲透鏡11和第二基板 31之間。在該第一基板20上形成有多個超聲波收發(fā)元件3。
其中，關(guān)于阻尼層41、第二基板31、第一基板20和聲透鏡11，各 自之間分別由粘接層42、 32、 12進行固定，自下而上依照上述順序成為 多層。粘接層42、 32、 12的材料使用環(huán)氧系樹脂。
超聲波收發(fā)元件3是具有硅基板21、第一絕緣層22、第二絕緣層23、 間隙24、以及上部電極25而構(gòu)成，以具有超聲波收發(fā)功能。就該超聲波 收發(fā)元件3而言，是向硅基板21和上部電極25之間施加電壓，使間隙 24上的膜(第二絕緣層23、上部電極25)振動，迸行超聲波的收發(fā)。其 中，關(guān)于硅基板21、第一絕緣層22、第二絕緣層23以及上部電極25， 自下而上按照上述順序成為多層。
硅基板21隔著粘接層32配置在第二基板31的上面，兼作為超聲波 收發(fā)元件3的下部電極。第一絕緣層22被配置在硅基板21的上面，以確 保兼作為下部電極的硅基板21和上部電極25的電絕緣性，其厚度為50 400nm。第二絕緣層23被配置在第一絕緣層22上，在其下面形成凹部， 在其與第一絕緣層22之間形成多個間隙24，并且在與各間隙24對應(yīng)的 上方位置埋設(shè)有多個上部電極25。間隙24為100 300nm，上部電極25 的厚度為400nm。就第二絕緣層23而言，為了進行間隙24的形成以及上 部電極25的埋設(shè)，比第一絕緣層22更厚，其厚度形成為2000nm。特別
是第二絕緣層23會影響作為超聲波收發(fā)元件3的特性的聲壓、中心頻率、 相對頻帶，所以根據(jù)用途來調(diào)節(jié)，由此可以廣泛用于受檢者的檢查。
第一絕緣層22以及第二絕緣層23優(yōu)選由氮化硅、氧化硅的至少一種 以上的材料形成。上部電極25位于各間隙24的正上方，形成在第二絕緣 層23內(nèi)。該上部電極25優(yōu)選由鋁、氮化鋁、氮化鈦、鈦等形成。
聲透鏡11具有使其與受檢者(未圖示)之間的聲阻抗匹配，且進行 超聲波的聚焦的作用，如圖2所示，與第一基板20或第二基板31相比形 成得足夠厚，并被配置成構(gòu)成超聲波探頭2的上面部。聲透鏡ll隔著粘 接層32被配置在第二絕緣層23的上面。就聲透鏡11的上面而言，根據(jù) 受檢者的聚焦深度即檢測的用途而曲率發(fā)生變化，但仍形成為向上方突出 的緩和的圓弧狀。
參照圖3對該結(jié)構(gòu)的超聲波探頭2的超聲波收發(fā)的動作原理進行說明。
在進行超聲波發(fā)送的情況下，首先，在圖3 (a)的狀態(tài)下，向兼作 下部電極的硅基板21和上部電極25之間施加DC偏壓，由此如圖3 (b) 所示使間隙24收縮至某規(guī)定位置。在該狀態(tài)下，通過向兼作下部電極的 硅基板21和上部電極25之間施加超聲波收發(fā)用AC電壓，如圖3 (c)以 及圖3 (d)所示使間隙24伸縮，由此產(chǎn)生超聲波。其中，從圖l的超聲 波收發(fā)元件3產(chǎn)生的超聲波借助聲透鏡11被發(fā)送給受檢者。
另一方面，在進行超聲波接收的情況下，向兼作下部電極的硅基板 21和上部電極25之間施加DC偏壓，成為使間隙24收縮至某規(guī)定位置的 狀態(tài)，如圖3 (e)以及圖3 (f)所示，通過從被受檢者反射回來的超聲 波而間隙24進行伸縮。通過該間隙24的伸縮，硅基板21和上部電極25 之間的靜電電容發(fā)生變化，所以通過檢測出該變化，可以檢測出超聲波。
在本實施方式中，關(guān)于硅基板21，線膨脹系數(shù)為3.5，聲阻抗為 21kg/m2s;關(guān)于42合金，線膨脹系數(shù)為4 5，聲阻抗為47kg/m2s;關(guān)于氮 化鋁，線膨脹系數(shù)為3.7，聲阻抗為34kg/m2s;關(guān)于阻尼層41，線膨脹系 數(shù)為100 ，聲阻抗為 10kg/m2s。
在兩種材料的邊界處的由聲阻抗之差引起的超聲波的反射率r用r=
(Z1—Z2) / (Zl+Z2)表示，上述的硅基板21 —阻尼層41的反射率r
為0.35。另一方面，當(dāng)在其間搭載氮化鋁或42合金的第二基板31時，硅 基板21 —氮化鋁的反射率r為0.24，硅基板21—42合金的反射率r為0.38， 與硅基板21 —阻尼層41的反射率一樣。另外，氮化鋁一阻尼層41的反 射率r為0.54， 42合金一阻尼層41的反射率r為0.64，但考慮在硅基板 21和第二基板32之間透過的超聲波的情況下，使用氮化鋁時的反射率r 為0.41，使用42合金時的反射率r為0.39，與阻尼層41的反射率一樣。 例如，在使從硅基板出來的超聲波為1的情況下，在硅基板和第二基板的 界面的反射為0.24 (氮化鋁)、0.38 (42合金)，所以透過的超聲波成為 0.76 (氮化鋁)、0.62 (42合金)。第二基板和阻尼層的界面的反射為0.76 X0.54 = 0.41 (氮化鋁)、0.62X0.64 = 0.39 (42合金)。另一方面，硅基板 21和阻尼層41的線膨脹系數(shù)的差較大，所以在將硅基板21和阻尼層41 直接粘接時，由溫度上升導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)可靠性降低，應(yīng)力集中于硅基板21， 有可能出現(xiàn)破壞。因此，在本實施方式中，通過使氮化鋁或42合金的第 二基板31介于碑基板21和阻尼層41之間，可以緩和向硅基板21的應(yīng)力 集中，能格外提高結(jié)構(gòu)可靠性。
其中，即便使上述第二基板31介于硅基板21和阻尼層41之間，硅 基板21和阻尼層41之間的反射率r也較小，所以向超聲波收發(fā)元件3發(fā) 射的超聲波被有效地傳播至阻尼層41。
根據(jù)上述說明，根據(jù)本實施方式，在第一基板20的下面和阻尼層41 的上面之間設(shè)置第二基板31，以線膨脹系數(shù)以及聲阻抗與第一基板20的 硅基板21大致相同的材料形成第二基板31，所以可以防止由溫度變化引 起的硅基板21的損傷，可以實現(xiàn)收發(fā)性能和結(jié)構(gòu)可靠性出色的超聲波探 頭2。
(第二實施方式)
接著，使用圖4說明本發(fā)明的第二實施方式的超聲波探頭。圖4是本 發(fā)明的第二實施方式的超聲波探頭的主要部分放大圖。該第二實施方式在 如下所示的方面與第一實施方式不同，其他方面與第一實施方式基本相 同，所以省略重復(fù)說明。
在該第二實施方式中，超聲波收發(fā)元件3具有在硅基板21的上面
形成的第一絕緣層22、在第一絕緣層22的上面形成的第二絕緣層23、在 第二絕緣層23的內(nèi)部形成的多個間隙24、在第一絕緣層22的上面且在 多個間隙24的每一個的下部隔著第二絕緣層23形成的下部電極27、在 第二絕緣層23內(nèi)與多個間隙24的每一個相對應(yīng)的位置上形成的多個上部 電極25。該超聲波收發(fā)元件3是通過向上部電極25和下部電極27之間 如前所示施加電壓而被驅(qū)動的。其中，下部電極27與上部電極25—樣， 優(yōu)選由鋁、氮化鋁、氮化鈦形成。本實施方式中，并非如第一實施方式那樣使下部電極為硅基板，而 是在每個超聲波收發(fā)元件上分開設(shè)置下部電極27，所以可以分開驅(qū)動超 聲波收發(fā)元件3。
(第三實施方式)
接著，使用圖5說明本發(fā)明的第三實施方式。圖5是本發(fā)明的第三實 施方式的超聲波探頭的主要部分放大圖。該第三實施方式在如下所示的方面與第一實施方式不同，其他方面與第一實施方式基本相同，所以省略重 復(fù)說明。
該第三實施方式的超聲波探^2是凸出(convex)型超聲波探頭的結(jié) 構(gòu)。在凸起型輕聲波探頭2中，包括具有第一實施方式中所示的超聲波 收發(fā)元件3的硅基板21、第二基板31以及阻尼層41以及聲透鏡ll構(gòu)成， 硅基板21以及第二基板31具有規(guī)定的曲率(例如40mm)地彎曲設(shè)置。 在這里，就硅基板21而言，由于是彎曲設(shè)置，優(yōu)選為50um以下。另外， 作為第二基板31，作為陶瓷材料的氮化鋁加工困難，所以優(yōu)選將容易加 工的42合金用于第二基板31。
權(quán)利要求
1、一種超聲波探頭，包括具有硅基板和超聲波收發(fā)元件的第一基板、在所述第一基板的上面設(shè)置的聲透鏡、和在所述第一基板的下方設(shè)置的阻尼層，在所述第一基板的下面和所述阻尼層的上面之間設(shè)置有第二基板，所述第二基板由具有與所述第一基板的硅基板大致相同的線膨脹系數(shù)以及聲阻抗的材料形成。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述第一基板在兼作下部電極的所述硅基板上設(shè)置絕緣層、間隙以及 上部電極而構(gòu)成所述超聲波收發(fā)元件。
3、 如權(quán)利要求2所述的超聲波探頭，其特征在于，所述超聲波收發(fā)元件形成為包括兼作所述下部電極的所述硅基板、 在所述硅基板的上面形成的第一絕緣層、在所述第一絕緣層的上面形成的 第二絕緣層、在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層之間形成的多個所述間 隙、以及在所述第二絕緣層內(nèi)分別與所述多個間隙對應(yīng)的位置上形成的多 個所述上部電極。
4、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述第一基板在所述硅基板上設(shè)置絕緣層、下部電極、間隙以及上部 電極而構(gòu)成所述超聲波收發(fā)元件。
5、 如權(quán)利要求4所述的超聲波探頭，其特征在于，所述超聲波收發(fā)元件形成為包括在所述硅基板的上面形成的第一絕 緣層、在所述第一絕緣層的上面形成的第二絕緣層、在所述第一絕緣層和 所述第二絕緣層之間形成的多個所述間隙、在所述第二絕緣層內(nèi)分別與所 述多個間隙對應(yīng)的下方的位置上形成的所述下部電極、以及在所述第二絕 緣層內(nèi)分別與所述多個間隙對應(yīng)的上方的位置上形成的多個所述上部電 極。
6、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 分別借助粘接層固定了所述第一基板和所述第二基板、所述第二基板和所述阻尼層。
7、 如權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于， 所述第二基板的材料為氮化鋁或42合金。
8、 如權(quán)利要求2所述的超聲波探頭，其特征在于，所述硅基板上的絕緣層由氧化硅、氮化硅中的至少一種以上形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波探頭(2)，其包括具有硅基板(21)和超聲波收發(fā)元件(3)的第一基板(20)、在第一基板(20)的上面設(shè)置的聲透鏡(11)、和在第一基板(20)的下方設(shè)置的阻尼層(41)，進而在第一基板(20)的下面和阻尼層(41)的上面之間設(shè)置有第二基板(31)。該第二基板(31)是由線膨脹系數(shù)以及聲阻抗與第一基板(20)的硅基板(21)大致相同的材料形成。通過該結(jié)構(gòu)，可以提供能減輕由收發(fā)時的反射波導(dǎo)致的噪音同時防止由溫度變化導(dǎo)致的硅基板損傷、且收發(fā)性能以及結(jié)構(gòu)可靠性出色的超聲波探頭。
文檔編號G01N29/24GK101360456SQ20068005157
公開日2009年2月4日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
發(fā)明者小林隆, 永田達也, 淺房勝德, 諫田尚哉, 青野宇紀(jì) 申請人:株式會社日立醫(yī)藥