專利名稱：超聲波探頭及超聲波圖像診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用在薄膜上形成了壓電體的壓電元件的超聲波探頭以及具備該超聲波探頭的超聲波圖像診斷裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知有如下的壓電元件(超聲波元件)在支撐膜上層積壓電體，通過向壓電體施加電壓使其振動(dòng)，從而使支撐膜振動(dòng)，輸出超聲波(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。該專利文獻(xiàn)I的超聲波元件具備在膜片上由電極金屬膜夾持著壓電體薄膜而形成的壓電振動(dòng)子。這種超聲波元件通過向上層以及下層的電極金屬膜施加電壓使壓電體薄·膜振動(dòng)，從而使形成有壓電體薄膜的膜片也振動(dòng)，輸出超聲波。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2006-229901號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題但是，在制造上述專利文獻(xiàn)I這樣的超聲波元件時(shí)，通常，在膜片上形成下層的電極金屬膜，接著在其上層形成壓電體薄膜之后，通過對該壓電體薄膜進(jìn)行蝕刻處理而圖案化(patterning)為規(guī)定的形狀。在形成上層的電極金屬層時(shí)也同樣，在下層的電極金屬膜或壓電體薄膜的上層形成電極金屬層，然后通過對該電極金屬層進(jìn)行蝕刻處理從而圖案化為規(guī)定的形狀。然而，在如上述那樣反復(fù)進(jìn)行蝕刻的方法中，在進(jìn)行壓電體薄膜的蝕刻以及上層側(cè)的電極金屬層的蝕刻時(shí)，甚至連下層側(cè)的電極金屬層也被蝕刻(過蝕刻)，從而導(dǎo)致下層的電極金屬膜的膜厚尺寸變小。如果電極金屬膜的膜厚尺寸變小則電阻增大。因此，在將這種現(xiàn)有技術(shù)的壓電元件用于超聲波探頭時(shí)，就會產(chǎn)生例如消耗電力增大、輸出的超聲波聲壓變小、在高頻區(qū)域難以控制的問題。鑒于上述問題，本發(fā)明目的在于提供一種使用電極電阻小的壓電元件的超聲波探頭以及超聲波圖像診斷裝置。解決技術(shù)問題的技術(shù)手段本發(fā)明的超聲波探頭具有壓電元件，所述壓電元件具備基板，具有開口部；支撐膜，設(shè)置于所述基板上，在從所述基板的厚度方向觀察的俯視觀察中，設(shè)置成堵塞所述開口部的一側(cè)開口的狀態(tài)；下部電極層，在所述俯視圖中，在所述支撐膜上，以連續(xù)的狀態(tài)設(shè)在所述開口部內(nèi)與所述開口部外；第一壓電體層，在所述俯視圖中，設(shè)置在所述開口部內(nèi)的所述下部電極層上；上部電極層，設(shè)置于所述第一壓電體層上；以及第二壓電體層，在所述俯視圖中，在所述下部電極層上配置在所述開口部外并且與所述第一壓電體層分開地配置。本發(fā)明中，第一壓電體層層積在下部電極層的下部電極本體部上，并且第二壓電體層層積在下部電極層的下部電極線部。由此，下部電極層被第一壓電體層或者第二壓電體層覆蓋而被保護(hù)，從而在形成壓電元件的壓電體層和上部電極層時(shí)，下部電極層不會被過蝕刻，能夠抑制下部電極層的電阻增大并能夠提供低電阻的壓電元件。關(guān)于這種低電阻的壓電元件，在下部電極層和上部電極層之間施加電壓使移位部振動(dòng)時(shí)，能夠在低功率下獲得大振幅的振動(dòng)，從而能夠促進(jìn)節(jié)能化。而且，在通過第一壓電體層輸出的電流值檢測出支撐膜的移位量時(shí)，由于下部電極線部的電阻小，因而也能夠抑制第一壓電體層輸出的電流損失，進(jìn)而能夠高精度地檢測支撐膜的移位。
另外，考慮到上述的下部電極層的過蝕刻，也可以考慮事先增大下部電極層的厚度尺寸，但在該情況中，層積壓電膜的部分由于未被過蝕刻，因而存在下部電極層的厚度尺寸增大，并且壓電膜以及上部電極層的層積部分的總厚度尺寸也增大的問題。與此相對，本發(fā)明中可以設(shè)定下部電極層的膜厚尺寸，而不需要預(yù)先估計(jì)由下部電極層的過蝕刻引起的電阻增大和膜厚不均勻，也能夠?qū)崿F(xiàn)壓電元件的薄型化。
并且，也可以在下部電極線部上形成與第一壓電體層材料相同的第二壓電體層， 這種情況中，能夠在形成第一壓電體層的同時(shí)形成第二壓電體層。因此，與另外使用用于保護(hù)下部電極線部的保護(hù)層等的情況相比，壓電元件的制造也簡化，從而能夠削減制造成本。
并且，本發(fā)明的超聲波探頭優(yōu)選是所述第二壓電體層設(shè)置在所述俯視觀察中不與所述開口部重疊的位置的結(jié)構(gòu)。
在使覆蓋開口部的支撐膜與第一壓電體層的振動(dòng)聯(lián)動(dòng)而使其移位時(shí)，或者由于來自外部的應(yīng)力而使支撐膜移位時(shí),通過較小地形成支撐膜產(chǎn)生移位的移位部的邊緣部分的膜厚尺寸，從而能夠增大該移位部的移位量。在此，本發(fā)明中由于第二壓電體層被設(shè)置在不與移位部的邊緣部分重疊的位置，因而移位部的邊緣部分附近的厚度不會增大。因此，無論是由于第一壓電體層的振動(dòng)而使移位部移位的情況，還是由于外力而使移位部移位的情況，都能夠增大其移位量。為此，例如通過使移位部振動(dòng)而輸出超聲波的情況，與例如第二壓電體層也被層積在移位部的邊緣上的情況相比，能夠在低功率下增大移位部的振幅，并能夠輸出更大聲壓的超聲波。而且，在接收超聲波的情況下，由于能夠通過接收到的超聲波使移位部產(chǎn)生較大振動(dòng)，因而能夠提高接收靈敏度并能夠高精度地檢測超聲波。
并且，本發(fā)明的超聲波探頭也可以是在所述第二壓電體層上設(shè)有與所述下部電極層連接的配線層的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中通過在壓電元件上形成配線層，能夠?qū)⒃撆渚€層與下部電極層分開。
另外，在一個(gè)平面基板上形成多個(gè)配線圖案的情況，由于基板尺寸等原因，各配線圖案的線寬受到限制，電阻也有可能增大。對此，本發(fā)明中，通過在第二壓電體層上也形成配線層，能夠在基板上以及第二壓電體層上，通過兩段結(jié)構(gòu)形成配線圖案。因此，與通過在一個(gè)基板上形成多個(gè)配線圖案的情況相比，能夠減小基板尺寸，還能夠防止電阻增大。
另外，本發(fā)明的超聲波探頭也可以是在所述第二壓電體層上設(shè)有與所述上部電極層連接的配線層的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，能夠無需另外形成絕緣體層而使上部電極配線部與下部電極配線部交叉。配線圖案的自由度提高，其結(jié)果也能夠防止電阻增大。
另外，優(yōu)選地，在本發(fā)明的超聲波探頭中，所述下部電極配線部具備元件連接線， 在所述俯視觀察中，以連續(xù)的狀態(tài)設(shè)在所述開口部內(nèi)與所述開口部外，并與所述下部電極本體部連接；以及下部電極配線，與所述元件連接線相連，并以比所述元件連接線的線寬窄的線寬設(shè)置，并且在所述俯視觀察中位于所述開口部的外側(cè)，所述第二壓電體層以覆蓋所述下部電極配線的方式設(shè)置。本發(fā)明中，第二壓電體層覆蓋在下部電極線部中線寬小的下部電極配線上。由于線寬尺寸越增大下部電極線部的電阻越降低，因而優(yōu)選較大地形成下部電極線部的線寬。然而，將壓電元件實(shí)際配置在基板上時(shí)，由于其它元件或者其配線圖案的關(guān)系等，導(dǎo)致不能夠充分確保下部電極配線的線寬，有時(shí)變得比元件連接線的線寬還小。在這種情況下，如果在壓電體層或者上部電極圖案化時(shí)下部電極配線被過蝕刻，則導(dǎo)致下部電極配線的電阻更加增大。與此相對，本發(fā)明中，在這種線寬減小的下部電極配線上層積有第二壓電體層。因此，在壓電體層或者上部電極圖案化時(shí)，下部電極配線不會發(fā)生過蝕刻，從而能夠防止電阻增大。另外，本發(fā)明的超聲波探頭的特征在于所述超聲波探頭具備多個(gè)所述壓電元件，所述壓電元件在第一方向以一定的間距排列，并且在與所述第一方向正交的第二方向以一定的間距配置。本發(fā)明中，超聲波探頭包括沿兩個(gè)方向陣列狀設(shè)置的多個(gè)壓電元件。在此，如上所述，各壓電元件的下部電極層的一部分被第二壓電體層覆蓋，因而能夠抑制由過蝕刻引起的電阻增大。因此，在例如使支撐膜振動(dòng)輸出超聲波時(shí)，能夠在低功率下輸出聲壓大(振幅大的)的超聲波，在例如用支撐膜接收超聲波，以檢測超聲波信號時(shí)，能夠輸出較大電信號(電流值)，從而能夠提聞檢測精度。另外，這種超聲波探頭需要與各壓電元件連接的下部電極線部，在形成小型超聲波探頭時(shí)，各下部電極線部的線寬也受到限制而變小。這種情況下，下部電極線部的電阻也增高。在此，在這些下部電極線部的上部未形成第二壓電體層時(shí)，由于下部電極線部被過蝕刻而導(dǎo)致電阻有可能進(jìn)一步增大。與此相對，本發(fā)明中，通過對這種線寬小的下部電極線部也形成第二壓電體層，從而能夠防止圖案化壓電體層以及上部電極層時(shí)電阻增大。并且，對于本發(fā)明的超聲波探頭，優(yōu)選地，配置所述壓電元件的所述第一方向的間距與配置所述壓電元件的所述第二方向的間距是相同的間距。本發(fā)明中通過超聲波探頭取得被檢體的圖像時(shí)，由于兩個(gè)方向的間距相同，因而能夠取得不扭曲的圖像。 本發(fā)明的超聲波圖像診斷裝置的特征在于具備上述超聲波探頭。本發(fā)明中，如上所述，由于采用電阻小的壓電元件，因而能夠抑制超聲波圖像診斷裝置的總消耗電流。而且，能夠獲得基于由本發(fā)明的超聲波探頭所得到的高精度的支撐膜移位而廣生的聞精度圖像等、并提聞各種性能。


圖1是本發(fā)明所涉及的第一實(shí)施方式的壓電元件的俯視圖。圖2是第一實(shí)施方式的壓電元件的剖面圖。圖3的(A),(B)、(C)、(D)是表示壓電元件制造工序的一部分的剖面圖。圖4的(A),(B),(C),(D)是表示壓電元件制造工序的殘留的一部分的剖面圖。圖5是本發(fā)明所涉及的第二實(shí)施方式的壓電元件的剖面圖。
圖6是表示本發(fā)明所涉及的第三實(shí)施方式的壓電元件的圖，圖6的㈧是俯視圖， 圖6的(B)是剖面圖。
圖7是表示本發(fā)明所涉及的第四實(shí)施方式的超聲波換能器的一部分的俯視圖。
圖8是表示本發(fā)明所涉及的產(chǎn)品形式的超聲波探頭的示意圖。
圖9是示意性地示出具備本發(fā)明的超聲波探頭的超聲波換能器的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖10是表示本發(fā)明所涉及的超聲波圖像診斷裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。
具體實(shí)施方式
第一實(shí)施方式
以下，根據(jù)附圖對本發(fā)明所涉及的用于超聲波探頭的第一實(shí)施方式的壓電元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
壓電元件的結(jié)構(gòu)
圖1是第一實(shí)施方式的壓電元件的俯視圖。
圖2是第一實(shí)施方式的壓電元件的剖面圖。
圖1中，壓電元件10具備形成有開口部111的基板11、在基板11上跨開口部111 內(nèi)外地形成的支撐膜12、在支撐膜12上形成的下部電極層20、在開口部111的內(nèi)側(cè)形成的第一壓電體層30、在開口部111的外側(cè)形成的第二壓電體層40以及跨開口部111內(nèi)外地形成的上部電極層50。其中，由基板11和支撐膜12構(gòu)成本發(fā)明的支撐體，由支撐膜12中堵塞開口部111的區(qū)域即膜片121構(gòu)成本發(fā)明的移位部。
此外，本實(shí)施方式中，雖然示出在具有貫通孔即開口部111的基板11上形成支撐膜12從而構(gòu)成具有移位部即膜片121的支撐體的例子，但并不限于此，例如，也可以是開口部111為凹槽且支撐膜12堵塞該凹槽即開口部111的開口的結(jié)構(gòu)。另外，也可以是在基板 11上形成凹槽且將其底部作為移位部的支撐體。
并且，作為支撐體，雖然示出由基板11與支撐膜12形成的例子，但也可以是在支撐膜12的上層設(shè)置例如絕緣膜等其它層，并在該其它層上設(shè)置下部電極層20的結(jié)構(gòu)等。
此外，作為壓電元件10，例如能夠用作如下元件等超聲波發(fā)送元件，通過向第一壓電體層30施加電壓而使支撐膜12振動(dòng)并輸出超聲波；超聲波接收元件，由支撐膜12接收超聲波，并從第一壓電體層30輸出對應(yīng)于振動(dòng)的電信號；應(yīng)力檢測兀件,根據(jù)從第一壓電體層30輸出的電信號來檢測施加給支撐膜12的應(yīng)力；驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生元件，驅(qū)動(dòng)第一壓電體層30并向與支撐膜12接觸的對象物施加驅(qū)動(dòng)力。本實(shí)施方式中，作為一例，對壓電元件10 作為超聲波發(fā)送元件而發(fā)揮作用的例子進(jìn)行說明。
基板11由容易通過例如蝕刻等加工的硅(Si)等半導(dǎo)體形成材料形成。另外，優(yōu)選地，在俯視觀察時(shí)，形成在基板11的開口部111被形成為圓形。由此，在開口部111的內(nèi)側(cè)的支撐膜12即膜片121中，能夠使膜片121的撓曲所對應(yīng)的應(yīng)力均勻。
S卩，例如，在開口部111被形成為例如矩形且在矩形中心部形成第一壓電體層30 的情況下，即使是與膜片121的中心點(diǎn)距離相同的位置，也會產(chǎn)生支撐膜12易于撓曲區(qū)域和難以撓曲區(qū)域。與此相對，如本實(shí)施方式所示，在形成圓形開口部111的情況下，由于從膜片中心點(diǎn)到開口部111的邊緣部IllA的距離相同，因而在與膜片121的中心點(diǎn)距離相同的點(diǎn)，支撐膜12的撓曲難易度也相同，從而能夠使膜片121均勻地?fù)锨?br> 支撐膜12在基板11上被成膜為堵塞開口部111的狀態(tài)。該支撐膜12由例如SiO2膜與ZrO2層的兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，當(dāng)基板11為Si基板時(shí)，SiO2層能夠通過對基板表面進(jìn)行熱氧化處理而成膜。而且，ZrO2層在SiO2層上通過例如濺射等方法成膜。其中，在使用例如PZT作為第一壓電體層30或者第二壓電體層40時(shí)，ZrO2層是用于防止構(gòu)成PZT的Pb向SiO2層擴(kuò)散的層。另外，ZrO2層也具有使相對于抗壓電膜131的扭曲的撓曲效率提高等效果。下部電極層20具備下部電極本體部21，在俯視觀察時(shí)形成于開口部111內(nèi)側(cè)且在其上層層積有第一壓電體層30;下部電極線部22，連到該下部電極本體部21并跨開口部111的內(nèi)外地形成，而且未層積第一壓電體層30 ；以及下部電極端子部23，形成于下部電極線部22的前端部。在下部電極層20的下部電極本體部21上層積地形成有第一壓電體層30。該第一壓電體層30通過將例如PZT (錯(cuò)鈦酸鉛lead zirconate titanate)成膜為膜狀從而形成。此外，本實(shí)施方式中雖然使用PZT作為第一壓電體層30，但只要是通過施加電壓而可以向平面內(nèi)方向收縮的材料，則可以使用任何材料，例如，可以使用鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯酸鉛(PbZrO3)、鈦酸鉛鑭((Pb，La)TiO3)等。然后，通過向下部電極本體部21與后述的上部電極層50施加電壓，該第一壓電體層30向平面內(nèi)方向收縮。此時(shí)，第一壓電體層30的一個(gè)面經(jīng)由下部電極本體部21與支撐膜12接合，而在另一個(gè)面上，雖然形成有上部電極層50，但由于該上部電極層50上未層積形成其它層，因此第一壓電體層30的支撐膜12側(cè)難以伸縮，但上部電極層50側(cè)容易伸縮。為此，如果向第一壓電體層30施加電壓，則在開口部111側(cè)會產(chǎn)生形成凸起的撓曲并使膜片121撓曲。因此，通過向第一壓電體層30施加交流電壓，使膜片121在膜厚方向振動(dòng)，通過該膜片121的振動(dòng)從開口部111輸出超聲波。俯視觀察中，上部電極層50的一部分層積在第一壓電體層30上，并且在與下部電極層20絕緣的配置位置被圖案化。具體而言，上部電極層50具備上部電極本體部51，層積在第一壓電體層30上；上部電極線部52，連到上部電極本體部51，并沿與下部電極線22不同的方向延伸出，在俯視觀察中跨開口部111的內(nèi)外地形成；以及上部電極端子部53，形成于上部電極線部的前端。在此，在第一壓電體層30中，上部電極層50與下部電極本體部21兩者重疊的區(qū)域是施加電壓時(shí)收縮的區(qū)域。第二壓電體層40由與第一壓電體層30相同的材料即PZT形成。另外，該第二壓電體層40形成在比支撐膜12的開口部111更靠外側(cè)區(qū)域，并且覆蓋下部電極層20的下部電極線部22。具體而言，第二壓電體層40形成為覆蓋下部電極線部22中的與支撐膜12上的開口部111的邊緣部IllA的距離是不影響膜片121的撓曲的規(guī)定尺寸的端部位置22A與下部電極端子23和下部電極線部22的連接部22B之間。這是因?yàn)?，?dāng)?shù)诙弘婓w層40與開口部111的邊緣部IllA重疊地形成時(shí)，與膜片121的撓曲相對的剛性增強(qiáng)，輸出的超聲波變成小聲壓。更優(yōu)選，將支撐膜12的厚度尺寸設(shè)為t，在從與開口部111的邊緣部IllA的距離L滿足下式(I)的端部位置22A到連接部22B的下部電極線部22上形成第二壓電體層40。數(shù)學(xué)式I
L > 5t (I)
這是因?yàn)橹文?2的膜片121撓曲時(shí)，在支撐膜12上產(chǎn)生進(jìn)入開口部111的力矩，由于該力矩，在俯視觀察中與開口部111的邊緣部IllA相距5t的距離范圍內(nèi)的支撐膜受到牽引力。因此，如果在該距離范圍內(nèi)形成第二壓電體層40，則在膜片121撓曲時(shí)成為阻力而導(dǎo)致超聲波的聲壓降低。與此相對，對于在俯視觀察中與開口部111的邊緣部IllA相距5t以上的距離而言，上述影響不起作用，從而能夠使膜片121良好地?fù)锨?。另一方面，如果第二壓電體層40的端部的形成位置與開口部111相距過遠(yuǎn)，則由于下部電極線部22的露出面積增大，因而在圖案化第一和第二壓電體層30、40時(shí)、圖案化上部電極層50時(shí),該下部電極線部22的露出部分有時(shí)被過蝕刻而電阻增大。因此，作為第二壓電體層40的形成位置，最優(yōu)選從與開口部111的邊緣部IllA相距5t的位置開始覆蓋到下部電極端子部23 與下部電極線部22的連接部22B的位置。
此外，在下部電極端子部23上，為了連接用于向第一壓電體層30施加電壓的配線，不形成第二壓電體層40。
壓電元件的制造方法
接著，根據(jù)附圖對上述這種壓電元件的制造方法進(jìn)行說明。
圖3和圖4是表示壓電元件的制造工序的剖面圖。
為了制造壓電元件10，首先，如圖3的(A)所示，對基板Il(Si)進(jìn)行熱氧化處理， 在基板11的表面形成 SiO2層。并且，通過濺射法在該SiO2層上成膜Zr層，并通過氧化該 Zr層而形成ZrO2層。由此,形成例如厚度尺寸為3 μ m的支撐膜12。
然后，在基板11的一面?zhèn)韧ㄟ^例如濺射法等形成下部電極層20。作為該下部電極層20，只要是具有導(dǎo)電性的膜則材料無特別限定，而在本實(shí)施方式中使用Ti/Ir/Pt/Ti的層積結(jié)構(gòu)膜，在壓電體層的燒結(jié)之后，以形成膜厚尺寸是例如O. 2μπι的方式均勻地形成下部電極層20。
然后，在該下部電極層20上，采用例如光刻法而在下部電極本體部21和下部電極線部22的形成位置上形成抗蝕劑。接著，通過蝕刻除去下部電極層中的未形成抗蝕劑的區(qū)域從而圖案化，如圖3的(B)所示，形成下部電極本體部21、下部電極線部22以及下部電極端子部23 (下部電極圖案化工序)。
然后，如圖3的⑶所示，在基板11的圖案化了該下部電極層20的一面?zhèn)龋?將由PZT形成的壓電體層60成膜。在壓電體層60的成膜中，采用MOD (Metal Organic Decomposition)法，由12層膜以例如總厚度尺寸達(dá)到1.4μηι的方式形成(壓電體層層積工序)。
然后，在該壓電體層60上，采用例如光刻法在第一壓電體層30以及第二壓電體層 40的形成位置形成抗蝕劑，再通過蝕刻除去未形成抗蝕劑的區(qū)域而圖案化。由此，如圖3的 (D)所示，在下部電極本體部21上形成第一壓電體層30，在下部電極線部22上形成第二壓電體層40 (壓電體層圖案化工序)。
在該壓電體層圖案化工序中，在形成第一壓電體層30以及第二壓電體層40的區(qū)域，由于下部電極層20未被蝕刻，因而不會產(chǎn)生電阻增大等不良情況。
此外，對于開口部111上的未設(shè)置第一壓電體層30的區(qū)域上形成的下部電極線部 22以及與開口部111的邊緣部IllA的距離L在5t (本實(shí)施方式中，由于t = 3μπι，因而L=15 U m)的范圍內(nèi)的下部電極線部22，在進(jìn)行壓電體層60的蝕刻時(shí)有時(shí)會發(fā)生過蝕刻，但由于相對于下部電極線部22整體而言是非常小的范圍，因而即使該部分的電阻提高，也不會受其影響。然后，如圖4的(A)所示，在基板11的一面?zhèn)?，通過例如濺射法等將上部電極層50均勻成膜。用于形成該上部電極層50的導(dǎo)電性膜也與下部電極層20同樣，可以使用具有導(dǎo)電性的任何材料，但在本實(shí)施方式中使用Ir膜，以厚度尺寸為例如50nm的方式形成(上部電極層積工序)。
然后，在該上部電極層50上，采用例如光刻法形成上部電極本體部51、上部電極線部52以及上部電極端子部53的圖案化用抗蝕劑，再通過蝕刻除去未形成抗蝕劑的區(qū)域，從而圖案化。由此，如圖4的(B)所示，上部電極層50被圖案化(上部電極圖案化工序)。在該上部電極圖案化工序中，也與上述壓電體層圖案化工序同樣，由于下部電極層20被第一壓電體層30以及第二壓電體層40覆蓋，因而可以防止下部電極層20過蝕刻，從而能夠抑制下部電極層20的電阻增大。接著，對基板11的厚度尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4的(C)所示，在該調(diào)節(jié)中，對與形成有下部電極層20、第一壓電體層30、第二壓電體層40以及上部電極層50的一側(cè)相反的側(cè)的基板11的另一面(輸出超聲波的面)側(cè)實(shí)施例如切削、研磨等加工。通過實(shí)施這種切削加工、研磨加工，能夠減少形成開口部111時(shí)的蝕刻量。在此，開口部111通過使用ICP(Inductive Coupled Plasma)蝕刻裝置的RIE(Reactive Ion Etching)而被蝕刻形成，但考慮到蝕刻的深度尺寸、抵抗膜應(yīng)力彎曲的剛性以及操作強(qiáng)度，優(yōu)選以基板11的厚度尺寸為200 u m的方式進(jìn)行切削、研磨加工。形成開口部111時(shí)，在基板11的上述另一面?zhèn)鹊拈_口部111的形成位置以外形成抗蝕劑。該抗蝕劑形成為例如10 Pm左右的厚度，以能夠承受基板11的蝕刻。然后，如圖4的(D)所示，使用ICP蝕刻裝置，從上述另一面?zhèn)鹊街文?2的SiO2層為止對基板11進(jìn)行蝕刻。通過上述過程，制造了壓電元件10。第一實(shí)施方式的作用效果如上所述，對于第一實(shí)施方式的壓電元件，在跨開口部111內(nèi)外地形成的下部電極層20中的形成于開口部111內(nèi)側(cè)的下部電極本體部21上形成第一壓電體層30，在下部電極線部22中的位于開口部111外側(cè)的下部電極線部22上形成第二壓電體層40。為此，對壓電體層60進(jìn)行蝕刻以形成第一壓電體層30以及第二壓電體層40時(shí)，能夠抑制下部電極層被過蝕刻而電阻增大的不良情況。因此，能夠以低功率來增大第一壓電體層30的伸縮量，并且也能夠使通過膜片121的振動(dòng)而輸出的超聲波成為大聲壓。另外，不必因過蝕刻而考慮增大下部電極層20的厚度尺寸，從而能夠減小下部電極層20的厚度尺寸。從而壓電元件10自身也能夠?qū)崿F(xiàn)薄型化。并且，第一壓電體層30以及第二壓電體層40由相同材料即PZT形成。S卩，能夠與壓電體層層積工序以及壓電體層圖案化工序同時(shí)形成這些第一壓電體層30以及第二壓電體層40。由此，與例如在下部電極層20上設(shè)置其他保護(hù)膜的情況相比，能夠簡化制造工序，并且也不必另外準(zhǔn)備保護(hù)膜從而能夠簡化結(jié)構(gòu)。另外，在俯視觀察中，在不與開口部111的邊緣部IllA重疊的位置形成第二壓電體層40。
為此，第二壓電體層40不會成為膜片121撓曲時(shí)的阻力，所以與在開口部111的邊緣部IllA上形成第二壓電體層40的情況相比，能夠使膜片121以大振幅振動(dòng)。因此，即使在施加給第一壓電體層30的電壓為低電壓的情況下,也能夠輸出大聲壓的超聲波。
并且，以覆蓋從下部電極線部22中的與開口部111的邊緣部IllA的距離是支撐膜12的厚度尺寸t的5倍的距離尺寸L的端部位置22A到下部電極線部22與下部電極端子部23的連接部22B的方式形成第二壓電體層40。
當(dāng)膜片121撓曲時(shí)，由于支撐膜12沿進(jìn)入開口部111的方向受力矩，因而位于接近開口部111的邊緣部IllA的位置的支撐膜12由于牽引力向開口部111側(cè)作用而伸縮。 在此，在接近于開口部111的邊緣部的位置形成第二壓電體層40時(shí)，由于該支撐膜12的伸縮受到限制，因而會限制膜片121的撓曲量。與此相對，如上所述，通過在與開口部111的邊緣部IllA的距離是距離L的位置形成第二壓電體層40，從而膜片121的撓曲量不減少， 但膜片121的撓曲阻力不增大。因此，與從開口部111的邊緣部IllA到形成第二壓電體層 40的位置的距離不足距離L的情況相比，能夠使大聲壓的超聲波輸出。
第二實(shí)施方式
接著，根據(jù)附圖對本發(fā)明所涉及的第二實(shí)施方式的壓電元件進(jìn)行說明。圖5是本發(fā)明所涉及的用于超聲波探頭的第二實(shí)施方式的壓電元件的剖面圖。
對于第二實(shí)施方式的壓電元件10A，在第一實(shí)施方式的壓電元件10的第二壓電體層40上形成配線層即輔助電極層70。
具體而言，該輔助電極層70從下部電極層20的連接部22B開始形成在第二壓電體層40的上層，并在第二壓電體層40的端部位置22A再次與下部電極層20連接。
這種輔助電極層70由與上部電極層50相同的材料形成，在上部電極圖案化工序中與上部電極層50同時(shí)形成。
S卩，上部電極層積工序中將如圖4的(A)所示的導(dǎo)電性膜成膜之后，在上部電極圖案化工序中，在上部電極層50的形成位置以及輔助電極層70的形成位置分別形成抗蝕劑。 然后，通過蝕刻除去在該抗蝕劑形成區(qū)域以外的導(dǎo)電性膜，繼而形成如圖5所示的輔助電極層70。
第二實(shí)施方式的作用效果
對于第二實(shí)施方式的壓電元件10A，可以得到與上述第一實(shí)施方式的壓電元件10 同樣的作用效果，從而能夠抑制下部電極層20的電阻增大，也能夠促進(jìn)壓電元件IOA自身的薄型化。
并且，通過設(shè)置輔助電極層70，在從下部電極端子23到下部電極本體部21的配線部分，能夠進(jìn)一步降低電阻，從而能夠在更低功率下驅(qū)動(dòng)第一壓電體層30，使超聲波輸出。
另外，圖5的壓電元件IOA中雖然例示了輔助電極層70的端部位于比開口部111 的邊緣部IllA更靠外側(cè)的結(jié)構(gòu)，但并不限于此，例如也可以是在從第二壓電體層40的端部位置22A到第一壓電體層30的下部電極線部22上也形成輔助電極層70的結(jié)構(gòu)。如上所述，上部電極層50形成為例如50nm的厚度尺寸，形成與第二壓電體層40相比厚度充分小的層，并且與上部電極層50同時(shí)形成的輔助電極層70也形成與上部電極層50相同的厚度尺寸。因此，即使這種輔助電極層70跨開口部111的內(nèi)外地形成，對膜片撓曲的影響也小到能夠忽略的程度，而不會成超聲波聲壓降低的主要原因。另外，這樣在從第二壓電體層40的端部位置22A到第一壓電體層30的下部電極線部22上形成輔助電極層70的情況下，在壓電體層圖案化工序和上部電極圖案化工序中，即使從第二壓電體層40的端部位置22A到第一壓電體層30的下部電極線部22被過蝕刻，通過層積到下部電極線部22的輔助電極層70也能夠抑制電阻的增大。因此，能夠更加有效地防止電阻的增大，并能夠在低功率下輸出大聲壓超聲波。同樣，也可以在下部電極端子部23上形成輔助電極層70，在這種情況下能夠防止下部電極端子部23中電阻增大。第三實(shí)施方式接著，根據(jù)附圖對用于本發(fā)明所涉及的超聲波探頭的第三實(shí)施方式的壓電元件進(jìn)行說明。
圖6是表示第三實(shí)施方式的壓電元件的圖，圖6的(A)是俯視圖，圖6的⑶是剖面圖。對于上述第二實(shí)施方式的壓電元件10A，示出了在第二壓電體層40的上層設(shè)置與下部電極層20連接的輔助電極層70的示例，而第三實(shí)施方式的壓電元件IOB在第二壓電體層40的上層形成有上部電極線部52。對于如上所述的第三實(shí)施方式的壓電元件10B，通過使第二壓電體層40發(fā)揮絕緣層的作用，能夠以簡單的結(jié)構(gòu)形成使下部電極層20與上部電極層50交叉后的配線圖案。S卩，在配置成陣列狀地形成壓電元件IOB等情況下，對于元件在陣列基板上的配置關(guān)系，存在下部電極線部22與上部電極線部52交叉形成的情況。這種情況下，現(xiàn)有技術(shù)中為防止下部電極線部22與上部電極線部52接觸，必須另外形成絕緣層。對此，對于第三實(shí)施方式的壓電元件10B，通過在第二壓電體層40上形成上部電極線部52，從而能夠使上部電極線部52與下部電極線部22交叉而無需另外形成絕緣層。第四實(shí)施方式接著，作為用于本發(fā)明的超聲波探頭的第四實(shí)施方式，根據(jù)附圖對設(shè)置有如上所述的壓電元件的超聲波換能器(transducer)進(jìn)行說明。圖7是表不第四實(shí)施方式的超聲波換能器的一部分的俯視圖。圖7中，超聲波換能器I具有將多個(gè)本發(fā)明的壓電元件10配置成格子狀的陣列結(jié)構(gòu)。這樣，通過形成陣列結(jié)構(gòu)能夠取得被檢體的同聲圖像。這種超聲波換能器I通過控制多個(gè)壓電元件10中超聲波的輸出定時(shí)(timing),能夠使超聲波會聚在所期望的點(diǎn)。另外，本實(shí)施方式中雖然示例了在基板11上配置了多個(gè)超聲波發(fā)送用的壓電元件10的超聲波發(fā)送陣列，但也能夠例如將這些壓電元件10作為超聲波的接收元件而發(fā)揮作用。這種情況下，也可以形成如下結(jié)構(gòu)等將配置成格子狀的壓電元件10中的例如半數(shù)作為超聲波發(fā)送用元件而發(fā)揮作用，將剩余的半數(shù)作為超聲波接收用元件而發(fā)揮作用。另外，也可以將所有壓電元件10用于超聲波發(fā)送兼超聲波接收。具體而言，是如下結(jié)構(gòu)將一個(gè)壓電元件10作為超聲波發(fā)送元件而發(fā)揮作用，向被檢體發(fā)送超聲波之后，再將其作為超聲波接收元件而發(fā)揮作用，使其接收從被檢體反射的超聲波(回聲)。這樣，通過將所有壓電元件10用于超聲波發(fā)送兼超聲波接收，從而能夠高密度地接收反射波，繼而能夠取得高密度的回聲圖像。
這種超聲波換能器I中，為了通過改變從各壓電元件10輸出的超聲波的發(fā)送定時(shí)而使超聲波會聚在所期望的位置，相對于各壓電元件10設(shè)置有各自獨(dú)立的下部電極線部 22。
具體而言，如圖7所示，各壓電元件10的下部電極線部22包括元件連接線221， 連到下部電極本體部21且跨膜片121的內(nèi)外地形成；以及下部電極配線222，從元件連接線221連接到下部電極端子部23。在此，由于在各壓電元件10的膜片121之間形成多個(gè)下部電極配線222，因而在布局上這些下部電極配線222的線寬被形成為比元件連接線221 的線寬尺寸小。為此，下部電極配線222比元件連接線221的電阻大。
這種超聲波換能器I中，如果形成各壓電元件10的壓電體以及上部電極層50時(shí)下部電極配線222被過蝕刻，則會引起電阻進(jìn)一步增大，為了從壓電元件10輸出所需聲壓的超聲波必須施加高電壓，這種情況下，尤其是在高頻區(qū)域中，壓電元件10的驅(qū)動(dòng)控制變得困難。對此，本實(shí)施方式中，在與元件連接線221相比線寬尺寸變小的下部電極配線222 上形成有第二壓電體層40。因此，制造換能器時(shí)，下部電極配線222不會被過蝕刻，從而能夠抑制電阻的增大。
另外，上述第四實(shí)施方式的超聲波換能器I中，例如如圖7所示，以在沿一個(gè)方向 (圖7中紙面橫向)配置的各壓電元件10中共用的方式形成有上部電極線部52。
在此，與第三實(shí)施方式相同，在第二壓電體層40上形成有這些上部電極線部52。 為此，不會使上部電極線部52與下部電極配線222接觸，在俯視觀察中，能夠形成使這些上部電極線部52與下部電極配線222接近后的配線圖案。通過形成這種結(jié)構(gòu)能夠縮短各壓電元件10的配置間隔，從而能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波換能器I的基板11的尺寸小型化。
另外，圖7所示的例中，俯視觀察中，各下部電極配線222與上部電極線部52以不重疊的方式配置，但是，也可以例如在俯視觀察中將上部電極線部52與下部電極配線222 設(shè)置在重疊的位置。
此外，本實(shí)施方式中，雖然示出在多個(gè)壓電元件10之間使用上部電極線部52作為公共線的例子，但也可以例如共用下部電極配線222。這種情況下，能夠較大地形成下部電極配線222的線寬尺寸，并且，通過設(shè)置第二壓電體層40，也能夠防止制造時(shí)的過蝕刻，因而能夠更加可靠地抑制電阻的增大。
壓電兀件10相對于圖7的橫向(第一方向)以一定間距Px排列。并且，壓電兀件10相對于圖7的縱向(第二方向)以一定間距Py排列。這樣，通過形成沿正交的兩個(gè)方向分別以一定的間距排列的陣列結(jié)構(gòu)，將本發(fā)明應(yīng)用于超聲波探頭時(shí)能夠取得回聲圖像。 并且，可以將Px與Py設(shè)定為相同值。這種情況下，能夠取得更少扭曲的回聲圖像。
第四實(shí)施方式的作用效果
上述第四實(shí)施方式的超聲波換能器I具有排列有多個(gè)壓電元件10的陣列結(jié)構(gòu)。這種超聲波換能器I中，在基板11上形成下部電極線部22時(shí)，必須在壓電元件10之間配置多條下部電極配線222，其線寬尺寸受到限制且電阻增大。這種超聲波換能器I中，當(dāng)制造時(shí)下部電極配線222被過蝕刻時(shí)，電阻會進(jìn)一步增大，所輸出的超聲波的聲壓下降、在高頻區(qū)域中的驅(qū)動(dòng)控制變得困難。對此，本實(shí)施方式中通過在下部電極配線222上形成第二壓電體層40，能夠防止制造時(shí)下部電極配線222的過蝕刻，從而能夠抑制電阻增大。
另外，通過在第二壓電體層40上形成上部電極線部52，能夠防止下部電極配線22與上部電極線部52接觸。另外，俯視觀察中，下部電極配線222與上部電極線部52也可以形成在重疊的位置，從而能夠縮短各壓電元件10間的距離，繼而能夠促進(jìn)超聲波換能器I小型化。產(chǎn)品形態(tài)I接著，作為產(chǎn)品形態(tài)，對具備了上述壓電元件10的本發(fā)明的醫(yī)療器械進(jìn)行說明。對于該產(chǎn)品形態(tài)，作為醫(yī)療器械示出了超聲波探頭的外觀。圖8是示意性示出產(chǎn)品形態(tài)的超聲波探頭的結(jié) 構(gòu)的立體圖。圖9是示意性示出具備了該超聲波探頭的超聲波換能器的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖8中，超聲波探頭100具備超聲波換能器1A、驅(qū)動(dòng)超聲波換能器IA的驅(qū)動(dòng)電路2、設(shè)置在射出來自超聲波換能器IA的超聲波的方向的聲學(xué)透鏡3、殼體4以及電纜5。如圖9所示，該超聲波換能器IA在基板11上具備多個(gè)超聲波發(fā)送用的壓電元件10。而且，該壓電元件10與第四實(shí)施方式的超聲波換能器I相同，配置為如圖7所示的陣列結(jié)構(gòu)，下部電極線部22中配置在膜片121的外側(cè)區(qū)域的下部電極配線222上以層積方式形成有第二壓電體層40。而且，基板11連接到控制壓電元件10的運(yùn)算控制部13。對于這種超聲波換能器，在下部電極線部22中的形成于膜片121外側(cè)區(qū)域的下部電極配線222上形成有第二壓電體層40。因此，制造時(shí)下部電極配線222不發(fā)生過蝕刻等，也不存在由此引起的電阻增大。為此，對于超聲波發(fā)送用的壓電元件10A，能夠以更小的驅(qū)動(dòng)電壓輸送大聲壓的超聲波。另外，對于超聲波接收用的壓電元件10B，能夠抑制由于接收超聲波而引起的輸出電信號的衰減。即，超聲波換能器IA能夠進(jìn)行高精度的超聲波的收發(fā)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)電。由此，具備了這種超聲波換能器IA的超聲波探頭，能夠高精度地取得被檢體的內(nèi)部圖像，并且也能夠抑制耗電。另外，對于上述產(chǎn)品形態(tài)，示出了將本發(fā)明的壓電元件應(yīng)用于組裝有超聲波換能器IA的超聲波探頭100的收發(fā)裝置的示例。但并不限于醫(yī)療器械，也能夠用作距離測定傳感器、配管的非破壞性檢查或者監(jiān)控配管中的流體流速等的測定傳感器的探頭。產(chǎn)品形態(tài)2作為本發(fā)明的第二產(chǎn)品形態(tài)，可以是超聲波圖像診斷裝置。圖10示出超聲波圖像診斷裝置的結(jié)構(gòu)。超聲波探頭100與超聲波觀測器200的裝置本體6連接。操作者通過操作部7設(shè)定超聲波探頭100的驅(qū)動(dòng)條件，并在顯示監(jiān)測器8上顯示回聲圖像。其它實(shí)施方式此外，本發(fā)明并不受上述實(shí)施方式的限制，在能夠達(dá)到本發(fā)明的目的范圍內(nèi)的變型、改良等都包含在本發(fā)明內(nèi)。例如，雖然示出從下部電極層20中的與開口部111的邊緣部11IA距離為距離L的端部位置22A覆蓋到下部電極端子部23與下部電極線部22的連接部22B而形成第二壓電體層40的例子，但也可以是例如從開口部111的邊緣部IllA覆蓋到連接部22B的結(jié)構(gòu)等。即使在這種情況下，與例如跨開口部111的內(nèi)外地形成第二壓電體層40的結(jié)構(gòu)相比，也能夠減小對膜片121的撓曲的阻力。另外，也可以在開口部111的邊緣部IllA的一部分上形成第二壓電體層40的結(jié)構(gòu)。例如，可以是僅在下部電極線部22的形成位置跨開口部111的邊緣部IllA并跨開口部111的內(nèi)外地形成第二壓電體層40的結(jié)構(gòu)，這種情況下，下部電極線部22中不存在有露到外部的部分，在壓電體層60和上部電極層50進(jìn)行蝕刻時(shí)能夠可靠地防止過蝕刻，繼而能夠更加可靠地抑制電阻增大。另外，與覆蓋開口部11的邊緣部IllA的整個(gè)圓周地形成第二壓電體層40的結(jié)構(gòu)相比，也能夠輸出大聲壓的超聲波，但不會增大對膜片121的撓曲的阻力。
并且，也可以是僅在從開口部111的邊緣部IllA到有可能阻礙膜片121的振動(dòng)的距離L的范圍內(nèi)不形成第二壓電體層40、而在其它整個(gè)區(qū)域上形成第二壓電體層40的結(jié)構(gòu)。
另外，對于上述實(shí)施方式，例示出在支撐膜12上形成下部電極層20的結(jié)構(gòu)，但并不限于此。例如，也可以對支撐膜12進(jìn)行蝕刻，在蝕刻部位上層積例如絕緣層等其它層，然后在該其它層上形成下部電極層20而形成的結(jié)構(gòu)等。
以上，雖然對用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明并不限于此。 即，主要對本發(fā)明的特定實(shí)施方式特別進(jìn)行了圖示并且進(jìn)行了說明，但是在不脫離本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及目的的范圍的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)σ陨纤鰧?shí)施方式進(jìn)行各種變型和改良。符號說明
1、超聲波換能器10、10A、IOB壓電元件
11、基板12、支撐膜
20、下部電極層21、下部電極本體部·
22、下部電極線部30、第一壓電體層
40、第二壓電體層50、上部電極層
111、開口部111A、開口部的邊緣部
60、壓電體層70、作為配線層的輔助電極層
221、元件連接線222、下部電極配線。
權(quán)利要求
1.一種超聲波探頭，所述超聲波探頭具有壓電元件，其特征在于，所述壓電元件具備基板，具有開口部；支撐膜，設(shè)置于所述基板上，在從所述基板的厚度方向俯視觀察時(shí)，設(shè)置成堵塞所述開口部的一側(cè)開口的狀態(tài)；下部電極層，在所述俯視觀察中，在所述支撐膜上，以連續(xù)的狀態(tài)設(shè)在所述開口部內(nèi)與所述開口部外；第一壓電體層，在所述俯視觀察中，設(shè)置在所述開口部內(nèi)的所述下部電極層上；上部電極層，設(shè)置于所述第一壓電體層上；以及第二壓電體層，在所述俯視觀察中，在所述下部電極層上配置在所述開口部外并且與所述第一壓電體層分開地配置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，所述下部電極層具有下部電極本體部，在所述俯視圖中，在所述下部電極本體部的上部設(shè)置有所述第一壓電體層；以及下部電極配線部，在所述俯視觀察中，從所述下部電極本體部連續(xù)向所述開口部外形成，所述第二壓電體層設(shè)置于所述下部電極配線部上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波探頭，其特征在于，所述第二壓電體層設(shè)置在所述俯視觀察中不與所述開口部重疊的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的超聲波探頭，其特征在于，在所述第二壓電體層上設(shè)有與所述下部電極層連接的配線層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的超聲波探頭，其特征在于，在所述第二壓電體層上設(shè)有與所述上部電極層連接的配線層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波探頭，其特征在于，所述下部電極配線部具備元件連接線，在所述俯視觀察中，以連續(xù)的狀態(tài)設(shè)在所述開口部內(nèi)與所述開口部外，并與所述下部電極本體部連接；以及下部電極配線，與所述元件連接線相連，并以比所述元件連接線的線寬窄的線寬設(shè)置， 并且在所述俯視觀察中位于所述開口部的外側(cè)，所述第二壓電體層以覆蓋所述下部電極配線的方式設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的超聲波探頭，其特征在于，所述超聲波探頭具備多個(gè)所述壓電元件，所述壓電元件在第一方向以一定的間距排列，并且在與所述第一方向正交的第二方向以一定的間距配置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲波探頭，其特征在于，配置所述壓電元件的所述第一方向的間距與配置所述壓電元件的所述第二方向的間距是相同的間距。
9.一種超聲波圖像診斷裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的超聲波探頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超聲波探頭以及超聲波圖像診斷裝置。上述超聲波探頭具有壓電元件，壓電元件具備基板，具有開口部；支撐膜，設(shè)置在基板上并設(shè)置為堵塞開口部的狀態(tài)；下部電極層，在支撐膜上以連續(xù)開口部內(nèi)與開口部外的狀態(tài)設(shè)置；第一壓電體層，設(shè)置在開口部內(nèi)的下部電極層上；上部電極層，設(shè)置在第一壓電體層上；以及第二壓電體層，在下部電極層上配置在開口部外，并且與第一壓電體層分開地配置。
文檔編號G01N29/24GK102988079SQ20121033794
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月12日
發(fā)明者松田洋史 申請人:精工愛普生株式會社