JP2020018469A - 静電容量型トランスデューサ、及びそれを用いた超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＭＵＴが有する素子の外周と内側とで、セルの振動膜の振幅の違いにより生じる課題を解決すること。
【解決手段】 複数のセルを含み構成される素子を有する静電容量型トランスデューサであって、
前記セルは、第一の電極と、前記第一の電極と間隙を挟んで対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有し、前記複数のセルのうちの１つのセルの前記第二の電極は、隣接する少なくとも１つのセルの前記第二の電極と、第一の電気配線で電気的に接続されており、前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造とが異なることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサ、及びそれを用いた超音波プローブに関する。

従来から、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いた静電容量型トランスデューサは、圧電素子の代替品として研究されている。静電容量型トランスデューサを以下ではＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と略すことがある。このようなＣＭＵＴによると、振動膜の振動を用いて音響波（典型的には超音波）を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。

特許文献１には、被検体にＣＭＵＴから超音波を送信し、被検体からの超音波をＣＭＵＴで受信し、受信して出力される信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置の開示がある。特許文献１におけるＣＭＵＴは、間隙を隔てて形成された一対の電極のうちの一方の電極を含む振動膜が振動可能に支持されたセルが複数設けられ、セル同士が配線によって電気的に接続されている。

特許第０６１８９１６７号

ここで、本発明者は特許文献１について課題を見出した。特許文献１においてセル同士を電気的に接続する配線は、どの位置においても、均一な幅となっている。

一方、本発明者の検討によると、素子内に配置されたセルの位置によって振動膜の振幅や位相が異なることがわかった。特に素子の外周に配置されたセルは、周囲のセルから受ける相互作用が小さくなるため、振動膜の振幅が大きくなることを見出した。これは、セルを複数個配置して音響波の送信や受信を行うと、各々のセルの振動が振動膜上の媒質を介して互いに相互作用（音響相互作用）をするからだと考えられる。振動膜の振幅が大きくなると、他のセルと比べてセルを構成する電極を繋ぐ配線の耐久性が低下することがあり、ＣＭＵＴの信頼性が低下することがある。

また、素子の外周に配置されたセルの振動膜の振幅が、それよりも内側に設けられたセルの振動膜の振幅よりも大きい場合、サイドローブが発生する可能性がある。

そこで本発明は、ＣＭＵＴが有する素子の外周と内側とで、セルの振動膜の振幅の違いにより生じる課題を解決する構成を提供することを目的とする。

本発明に係る静電容量型トランスデューサは、複数のセルを含み構成される素子を有する静電容量型トランスデューサであって、前記セルは、第一の電極と、前記第一の電極と間隙を挟んで対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有し、前記複数のセルのうちの１つのセルの前記第二の電極は、隣接する少なくとも１つのセルの前記第二の電極と、第一の電気配線で電気的に接続されており、前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造とが異なることを特徴とする。

本発明に係るＣＭＵＴでは、ＣＭＵＴが有する素子の外周と内側とで、セルの電極同士を電気的に接続する配線の構造を異ならせる。これにより、ＣＭＵＴが有する素子の外周と内側とで、セルの振動膜の振幅の違いにより生じる課題を解決することができる。

本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための上面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための図１の全体図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための図１のＡ−Ｂ断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための図１のＡ−Ｂ断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの駆動装置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの送受信回路の一例である。 本発明の実施形態に係る超音波プローブの一例である。 本発明の実施形態において、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８とプルイン電圧の関係を示すグラフ。 本発明の実施形態において、プルイン電圧が８１Ｖとなる間隙９の高さと振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８との関係を示すグラフ。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの断面構造の一例を示す。 本発明の実施例における素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９とプルイン電圧の関係を示すグラフ。 本発明の実施例における素子３の外周を構成するセル２の第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９とプルイン電圧の関係を示すグラフ。 本発明の実施例におけるプルイン電圧が８１Ｖとなる間隙９の高さと第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９の関係を示すグラフ。 本発明の実施例における素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率とプルイン電圧の関係を示すグラフ。 本発明の実施例における素子３の外周を構成するセル２の第二の電極１１のヤング率及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率とプルイン電圧の関係を示すグラフ。

本発明の実施形態に係るＣＭＵＴについて説明するが、本発明はこれに限られない。本実施形態に係るＣＭＵＴは、複数のセルを含み構成される素子を有する。セルは、第一の電極と、第一の電極と間隙を挟んで対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有する構成である。また、複数のセルのうちの１つのセルの第二の電極は、隣接する少なくとも１つのセルの第二の電極と、第一の電気配線で電気的に接続されている。そして、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の構造と、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の構造とが異なる。係る構成により、ＣＭＵＴが有する素子の外周と内側とで、セルの振動膜の振幅の違いにより生じる課題を解決することができる。例えば、前述のように外周のセルの振動膜の振幅が大きいため、それよりも内側のセルの振動膜よりも劣化等が生じやすい。そこで、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の疲れ限度を、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の疲れ限度よりも高くすることで耐久性を高め、劣化を抑制する。なお、疲れ限度は日本工業規格ＪＩＳＺ２２７３に規定されている。また、素子の外周に設けられたセルとは、セルアレイによって形成される素子領域の外縁に位置するセルである。１列または２列のセルアレイの場合は、末端の位置のセルである。

疲れ限度を高くする手段として、第一の電気配線の幅を広くすること、第一の電気配線の厚さを大きくすること、第一の電気配線のヤング率を大きくすること、第一の電気配線の応力を大きくすること等が挙げられる。すなわち、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の幅が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の前記第一の電気配線の幅よりも広くすることで、耐久性を向上できる。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の厚さが、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の厚さよりも大きくして耐久性を向上できる。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの第二の電極の厚さが、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの第二の電極の厚さよりも大きくして耐久性を向上できる。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線のヤング率が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線のヤング率よりも大きくして耐久性を向上できる。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの第二の電極のヤング率が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの第二の電極のヤング率よりも大きくして耐久性を向上できる。

また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の材料の疲れ限度を、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の材料の疲れ限度よりも大きくしてもよい。これらの耐久性を向上させる手段は単独で備えていても、複数の手段を備えていてもよい。

なお、耐久性の課題以外にも、素子の外周に配置されたセルの振動膜の振幅が、それよりも内側に設けられたセルの振動膜の振幅よりも大きい場合、サイドローブが発生する可能性がある、という課題がある。そこで、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の構造と、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の構造とを異ならせることにより、サイドローブを抑制できる。例えば、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の厚さと、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の厚さとを異ならせればよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの第二の電極の厚さと、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの第二の電極の厚さとを異ならせてもよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線のヤング率と、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線のヤング率とを異ならせてもよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの第二の電極のヤング率が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの第二の電極のヤング率と異ならせてもよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの第二の電極のヤング率が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの第二の電極のヤング率と異ならせてもよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の材料が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の材料と異ならせてもよい。また、複数のセルのうち、素子の外周に設けられた第１のセルの間隙の上の第一の電気配線の応力と、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの間隙の上の第一の電気配線の応力とを異ならせてもよい。

なお、上記形態において、素子の外周に設けられた第１のセルのプルイン電圧が、第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルのプルイン電圧と略同一とすることが好ましい。係る構成により、各セルの超音波の送受信特性の差を小さくできるからである。

（超音波プローブ）
本実施形態に係る超音波プローブは、上記本実施形態に係るＣＭＵＴと、被検体に超音波を照射することで生じる超音波を検出して、信号を出力する検出部と、信号に基づいて被検体に関する情報を取得する取得部と、を有する。

（光音響装置）
本実施形態に係る光音響装置は、上記本実施形態に係るＣＭＵＴと、被検体に光を照射することで生じる音響波を検出して、信号を出力する検出部と、前記信号に基づいて前記被検体に関する情報を取得する取得部と、を有する。

以下に、本発明の実施の形態について図１〜図３を用いて詳細を説明する。図１は本実施形態の静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）の上面図であり、図２は図１の全体図である。図３は図１のＡ−Ｂ断面図である。上面図は、第二の絶縁膜８と第三の絶縁膜１０と第四の絶縁膜１４と封止膜１６を省略している。図中の番号は次の通りである。１はＣＭＵＴ、２，２−１，２−２，２−３，２−４はセル、３は素子（エレメント）、４は図１の拡大部分、５は基板、６は第一の絶縁膜、７は第一の電極、８は第二の絶縁膜、９は間隙である。２−１は、上記第１のセルであり、２−４は上記第２のセルである。なお、図３のように、間隙９の上には振動膜１７が設けられているが、図１、２では図示しない。図１に示す通り、素子３は複数のセルを含み構成され、ＣＭＵＴは複数の素子を含み構成されている。

また、１０は第三の絶縁膜、１１は第二の電極、１２は第一の電気配線、１３は振動膜の上に配置された第一の電気配線、１４は第四の絶縁膜、１５はエッチング孔、１６は封止膜、１７は振動膜である。１８は振動膜の上に配置された第一の電気配線の幅、２０は第一の電圧印加手段、２１は第二の電圧印加手段、３１は外周のセルを示す長い破線、３２はあるセル、３３は第一隣接セル、３４は第二隣接セル、３５は第三隣接セルを表す。３６は第一の電気配線１２の領域、３７は長さ、４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッドである。本実施形態に係る振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３が、素子の内外で異なる。

図１と図２に示すＣＭＵＴ１は、支持基板５上に形成された第一の電極７と、前記第一の電極７と間隙９を挟んで対向して配された第二の電極１１を含む振動膜１７が振動可能に支持されたセル２を有する素子３からなる。図２では、１つの素子のみ記載しているが、素子数はいくつでも構わない。また、素子３は、セル２が１６８個から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、セルの配列は格子状の配置でも千鳥配置でもどのような配列でも構わない。さらに、素子３の大まかな外形は図２に記載のような四角形に限られず、正方形、長方形、六角形、台形、多角形、円形等でも構わない。

図１と図３に示すように、セル２は基板５、基板５上に形成される第一の絶縁膜６、第一の絶縁膜６上に形成される第一の電極７、第一の電極７上に形成される第二の絶縁膜８を有する。さらに、第三の絶縁膜１０と第二の電極１１と振動膜の上に配置された第一の電気配線１３と第四の絶縁膜１４と封止膜１６で振動膜１７が形成され、振動膜１７の下には間隙９を有している。

間隙９は、後述するが、エッチング孔１５を介して犠牲層をエッチングすることで形成する。第二の絶縁膜８は、セルの耐圧向上や絶縁膜の帯電を防ぐために設けているため、不要であればなくてもよい。第四の絶縁膜１４は、犠牲層エッチング後の間隙９の変形制御のために設けているため、不要であればなくてもよい。封止膜１６は、振動膜１７の変形制御や間隙９を封止するために設けているため、不要であればなくてもよい。間隙９を上面から見た形状は円形であり、振動する部分の形状は円形であるが、正方形、長方形、六角形、台形、多角形等の形状でも構わない。セル２は、隣接する少なくとも１つのセルと、第二の電極１１が第一の電気配線１２で接続している。第一の電気配線１２は、振動膜の上に配置された第一の電気配線１３を含んでいる。また図３に示すように、セル２の第一の電極７と第二の電極１１との間に電圧を印加する電圧印加手段２０と、第二の電極に送信電圧を印加する電圧印加手段２１を有している。

本実施形態のＣＭＵＴは、第一の電圧印加手段２０で第一の電極７にバイアス電圧を印加する事ができる。第一の電極７にバイアス電圧が印加されると、第一の電極７と第二の電極１１の間に電位差が生じる。この電位差により振動膜の復元力と静電引力が釣り合うところまで振動膜１７は変位する。この状態で超音波が振動膜１７に到達すると、振動膜１７が振動する事で第一の電極７と第二の電極１１の間の静電容量が変化して第二の電極１１に電流が流れる。この電流を第二の電極１１から引き出された第二の電極パッド４２を介して取り出す事で、超音波を電気信号として取り出す事ができる。

第一の電圧印加手段２０で第一の電極７にバイアス電圧を印加した状態で、第二の電圧印加手段２１から第二の電極１１に送信駆動電圧を印加すると、超音波を送信する事が出来る。送信駆動電圧は、所望の超音波を送信できる波形であればどのような波形でも良い。単極パルスや双極パルス、バースト波や連続波など、所望の波形を用いればよい。

第一の電極７へ印加する電圧が増大すると、振動膜の復元力よりも静電引力の方が大きくなり、振動膜１７が間隙９の下面の第二の絶縁膜８に接触する。この電圧をプルイン電圧という。プルイン電圧に対するバイアス電圧の比が高いほど、受信した音響波を電気信号に変換する、あるいは電気信号を音響波に変換する変換効率が高い。プルイン電圧以上の電圧を電極間に印加すると、振動膜１７が間隙９の下面に接触して素子が有する周波数特性が大きく変化し、検出できる音響波の受信感度が大きく変化する。また送信できる音響波の強度や周波数特性も大きく変化する。そのため、ＣＭＵＴ１を構成するセル２のプルイン電圧は略同一であることが好ましい。

図２に示すようなＣＭＵＴ１で音響波を送信したり受信したりすると、各々のセルの振動膜１７の振動が振動膜上の媒質を介して互いに相互作用（音響相互作用）をする。素子３に配置されたセルの位置によって振動膜の振幅や位相が異なり、特に素子３の外周や辺に配置されたセルは、周囲のセルから受ける相互作用が小さくなるため、振動膜１７の振幅が大きくなる。振動膜１７の振幅が大きくなると、他のセルと比べてセルを構成する第二の電極１１を繋ぐ、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３の耐久性が低下することがあり、ＣＭＵＴの耐久性や信頼性が低下する。そのため本実施形態では、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を、素子３の内側と外周で異ならせることで、ＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させている。例えば図２では、外周のセルを示す長い破線３１で囲んだセルが素子３の外周に配置されたセルであり、それ以外のセルが内側のセルである。素子３の外周に配置されたセルとは、図２に示した外周のセルを示す長い破線３１で囲んだセルのように、セル２において、最隣接するセル２の数が最隣接するセル２の数の最大値よりも少ないセル２である。例えば図２では、最隣接するセル２の数の最大値は６である。ここで、あるセル３２に最隣接するセルを第一隣接セル３３と呼ぶ。第一隣接セル３３とは、図２でセルの中心を破線３３で繋がれたセル２のことであり、第一隣接セル３３の各セルの中心と、あるセル３２の中心の距離は同じである。外周のセルを示す長い破線３１で囲んだセル２以外のセル２は、全て６個の第一隣接セル３３と隣接している。図２の素子３の左下に配置されているセル２−１が最隣接するセル２の数は２個である。また図２の素子３の右下に配置されているセル２−２が最隣接するセル２の数は３個である。さらに図２の素子３のセル２−３が最隣接するセル２の数は５個である。つまり、第一隣接セル３３が６個存在しないものが素子３の外周セルである。また、あるセル３２において、第一隣接セル３３の数だけでなく、次に隣接する第二隣接セル３４の数が最大値よりも少ないセル２を外周のセルとしてもよい。第二隣接セル３４とは、図２でセルの中心を破線３４で繋がれたセル２のことであり、第二隣接セル３４の各セルの中心と、あるセル３２の中心の距離は同じである。第二隣接セル３４のセル２の最大値は６である。例えば、図２の素子３のセル２−４の第二隣接セル３４のセル２の数は、５個である。つまりセル２−４も素子３の外周に配置されたセルとなる。このようにして、第二隣接セル３４の外側の第三隣接セル３５までを素子３の外周に配置されたセルとしても良い。第三隣接セル３５とは、図２でセルの中心を破線３５で繋がれたセル２のことであり、第三隣接セル３５の各セルの中心と、あるセル３２の中心の距離は同じである。特に、第一隣接セル３３を構成するセル２の数が少ないセル２は、周囲のセルから受ける相互作用が小さくなるため、振動膜１７の振幅が大きくなる。次に、第二隣接セル３４を構成するセル２の数が少ないセル２は、周囲のセルから受ける相互作用が小さくなるため、振動膜１７の振幅が大きくなる。第一隣接セル３３から順に素子３の中心に配置されたセルに向かって、振動膜１７の振幅は小さくなる。つまり、素子３を構成するセル２の数や配置によって、素子３を構成する外周セルの範囲を決めるのが好ましい。

第一の電気配線１３の耐久性を向上させる方法は様々な方法がある。まず傷に対する耐久性を向上させる方法について説明する。

例えば図１と２では、素子３を構成するセル２において、素子３の辺（外周）に配置したセル２の振動膜１７に配置された第一の電気配線１３の幅１８が異なっている。具体的には第一の電気配線１３の幅１８が広くなっている。第一の電気配線１３の幅１８が広くなることで、第一の電気配線１３の一部に亀裂が生じにくくなり、断線することなくＣＭＵＴを駆動し続けることができて好ましい。第一の電気配線１３の幅１８を広くすると、セルのプルイン電圧が上がりセルの変換効率が下がる場合がある。その際には第二の電極１１の大きさを小さくするか、第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を広げることで、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にして変換効率を同等にしてもよい。第二の電極１１の直径は、間隙９の直径よりも小さくするのが好ましい。間隙９の直径よりも第二の電極１１の直径が大きいと、製造時のアライメント誤差等により、間隙９が存在しない領域に第二の電極１１が作製されてしまう可能性がある。間隙９が存在しない領域に第二の電極１１が作製されると、第一の電極７と第二の電極１１との間が第二の絶縁膜８と第三の絶縁膜１０となり、寄生容量が大きくなる。寄生容量が大きくなると、ＣＭＵＴのＳ／Ｎが低下し、検出感度が低下してしまう。そのため、製造時に使用する露光装置のアライメント誤差や製造時のパターニング誤差等が生じても、第一の電極７と第二の電極１１の間に必ず間隙９が存在するようにするため、間隙９の直径よりも第二の電極１１の直径を小さくするのが好ましい。第一の電気配線１２は、隣接する少なくとも１つのセルと第二の電極１１を接続している。図３において、第一の電気配線１２は、間隙９が存在する部分と存在しない部分を有する。第一の電気配線１２の領域は３６の範囲である。第一の電気配線１２のうち、間隙９を有する部分が振動膜の上に配置された第一の電気配線１３である。振動膜の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８に対して、長さは３７である。長さ３７は、間隙９の半径と第二の電極１１の半径との差である。長さ３７の長さは第二の電極１１の直径で決まる。前述したように第二の電極１１は、露光装置のアライメント誤差や製造時のパターニング誤差等を考慮して決めるのが好ましい。例えばステッパ等の装置のアライメント誤差を±０．０５ｕｍ〜０．１ｕｍ、アライナ等の装置のアライメント誤差を±０．５ｕｍ〜±１ｕｍと見込む場合、第二の電極１１の直径は、間隙９の直径よりも０．１ｕｍ〜２ｕｍ小さいことが好ましい。

また、素子３の辺（外周）に配置したセル２の振動膜１７に配置された第一の電気配線１３の厚さを、内側に配置したセル２よりも厚くすることが好ましい。第一の電気配線１３の厚さを厚くすることで、第一の電気配線１３の一部に亀裂が生じにくくなり、断線することなくＣＭＵＴを駆動し続けることができて好ましい。第一の電気配線１３の厚さを厚くすると、セルのプルイン電圧が下がる場合がある。ＣＭＵＴ１に共通のバイアス電圧と送信駆動電圧を印加して駆動すると、プルイン電圧が低いセルがプルインをしてしまい、音響波の強度や周波数特性が大きく異なることがある。またセルがプルインすると、第二の絶縁膜８が帯電して、第一の電極７と第二の電極１１の間に印加される実効的なバイアス電圧が変化してしまう。これにより所望の特性が得られなくなることがあるため、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にするのが好ましい。第一の電気配線１３の厚さを厚くすることでセルのプルイン電圧が下がる場合には、第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を広げるのが好ましい。さらに第一の電気配線１３の厚さを厚くすると共に、素子３の外周に配置したセル２の第二の電極を厚くするのも好ましい。第一の電気配線１３の厚さを厚くすると、セルのプルイン電圧が下がる場合があるため、前途したように、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にするのが好ましい。

次に、ＣＭＵＴ１の長期駆動に関する耐久性について説明する。素子３の外周を構成するセルと内側のセルが同じ構成の場合、音響相互作用で外周のセルの振幅が大きくなる。つまり外周を構成するセルの第一の電気配線１３にかかるひずみ量が大きくなる。外周を構成するセルと中心のセルの第一の電気配線１３のヤング率は同じであり、応力はヤング率とひずみ量に比例するというフックの法則から、外周を構成するセルの第一の電気配線１３にかかる応力が、内側のセルよりも大きくなる。第一の電気配線１３にかかる応力が大きくなると、配線強度が低下して疲労破壊が発生する可能性が高くなり、ＣＭＵＴの長期駆動に関する耐久性や信頼性が低下する。そのため、素子３の外周を構成するセル２の第一の電気配線１３のヤング率を異ならせるのも好ましい。具体的には、素子３の外周を構成するセルの第一の電気配線１３のヤング率を低くして、第一の電気配線１３にかかる応力を小さくするのが好ましい。このとき、外周を構成するセルの第二の電極１１のヤング率を低くしてもよい。ヤング率を低くする方法として、第一の電気配線１３や第二の電極１１の材料を変更する方法がある。ヤング率を低くすると、プルイン電圧が低下する場合があるため、前述したように第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を広げて、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にするのが好ましい。またヤング率を低くすると、外周を構成するセルの振動膜１７の周波数特性が変化する可能性があるため、振動膜１７を構成する部材の厚さを調整したりセルの直径を調整して、周波数特性の変化を低減させるのが好ましい。

また応力を低下させる方法として、第一の電気配線１３の幅や厚さを変更する方法もある。より具体的な方法としては、外周を構成するセルの第一の電気配線１３の幅を狭くするのが好ましい。第一の電気配線１３の幅を狭くすると、セルのプルイン電圧が下がる場合があるため、前述したように、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にするのが好ましい。また、素子３の外周を構成するセルの第一の電気配線１３の厚さを薄くするのが好ましい。第一の電気配線１３の厚さを薄くすると、セルのプルイン電圧が上がる場合があるため、前述したように、素子３の外周を構成するセルと内側のセルのプルイン電圧を同等にするのが好ましい。

これにより、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の振幅が大きくなっても、外周を構成するセル２の第一の電気配線１３にかかる応力を小さくすることができ、長期駆動に関する耐久性の低下を防止することができる。

図４に、ＣＭＵＴの別の一例を示す。図４は本実施形態のＣＭＵＴの上面図である。図中の番号は次の通りである。３０はＣＭＵＴ、２はセル、３は素子（エレメント）、４は図１の拡大部分、４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッドである。図４では、１つの素子３を構成するセル２は４８個から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。図４では素子３は４個記載しているが、ＣＭＵＴ３０はＸ軸の方向に素子３が多数個並んでいる１次元アレイの構成である。素子３の個数はいくつであっても構わない。図４では第二の電極パッドは素子３毎に個別であり、第一の電極７はすべての素子３で共通であるが、素子３毎に第一の電極７を個別に設けてもよい。図４のＣＭＵＴ３０の場合、素子３を構成するセル２同士の間隔と素子３同士の間隔は同じである。そのため、素子３の外周を構成するセルはＣＭＵＴ３０を構成する外周のセルと同じになる。つまり外周のセルを示す長い破線３１で囲んだセルが外周のセルである。ＣＭＵＴ３０の場合、外周のセルを示す長い破線３１で囲んだ部分とそれ以外の内側のセルで、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を異ならせることで、ＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。

図５に、さらにＣＭＵＴの別の一例を示す。図５は本実施形態のＣＭＵＴの上面図である。図中の番号は次の通りである。３２はＣＭＵＴ、２はセル、３は素子（エレメント）、４は図１の拡大部分、４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッドである。図５のＣＭＵＴ３２の場合、素子３を構成するセル２同士の間隔と素子３同士の間隔が異なる。素子３同士の間隔が広がっている。この場合、素子３の外周を構成するセルは、ＣＭＵＴ３２を構成する外周のセルと一部異なる。つまり外周のセルを示す長い破線３１で囲んだ部分が素子３の外周のセルとなる。ＣＭＵＴ３２の場合、外周のセルを示す長い破線３１で囲んだ部分のセルとそれ以外の内側のセルで、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を異ならせることで、ＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。図５では外周のセルを示す長い破線３１の記載を一部省略しているが、ＣＭＵＴ３２を構成する素子３はすべて同じように外周のセルを示す長い破線３１で囲んだ部分を有する。このようなＣＭＵＴ３２は、素子３同士の間隔の部分に切り込みを入れる等して実装することで、ＣＭＵＴ３２をＸ軸方向に湾曲させることができる。素子３の振動膜１７側を凸に湾曲させればコンベックスプローブになり、反対に凹ませればビームフォーミングをせずに焦点を形成することができる。素子３同士の間隔は、セル２同士の間隔以上で、切り込み等を設けられる間隔をあけるのが好ましい。

また、図１から４では、外周のセルを示す長い破線３１で囲んだセルを外周のセルとして、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を内側のセルと異ならせている。しかし、外周のセルを示す長い破線３１の１セル内側のセルを外周のセルとみなして、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を内側のセルと異ならせてもよい。素子３の外形の重心付近にあるセルから外側に向かって、振動膜１７に配置された第一の電気配線１３を徐々に異ならせてもよい。

次に図６を用いて本実施形態のＣＭＵＴ１の製造方法の一例を示す。

図６は図１のＡ−Ｂ断面図である。図６（ａ）に示すように、基板５上に第一の絶縁膜６を形成する。基板５はシリコン基板であり、第一の絶縁膜６は第一の電極７との絶縁を形成するためである。基板５がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜６は形成しなくともよい。また、基板５は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さが転写されていくとともに、表面粗さによる第一の電極７と第二の電極１１との間の距離が、各セル間でばらついてしまう。このばらつきは、変換効率のばらつきとなるため、感度、帯域ばらつきとなる。従って、基板５は、表面粗さの小さな基板が望ましい。さらに、第一の電極７を形成する。第一の電極７は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、タングステン、アルミ等である。基板５と同様に、第一の電極７の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極７と第二の電極１１間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。第一の電極７の厚さは、厚さが増すと表面粗さが増加するため、薄い方が好ましい。次に、図６（ａ）に示すように第二の絶縁膜８を形成する。第二の絶縁膜８は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極７と第二の電極１１間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。また、本工程の後工程で実施する犠牲層除去時に第一の電極がエッチングされることを防止するために形成する。基板と同様に、第二の絶縁膜８の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極７と第二の電極間１１の距離が、各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等である。また絶縁膜は、厚くなるほど表面粗さが増すため、絶縁性を保つのに最低限必要な厚さとする。

次に、図６（ｂ）に示すように犠牲層５５を形成する。犠牲層５５は表面粗さが小さい材料が望ましい。基板５と同様に、犠牲層５５の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極７と第二の電極１１間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層５５が望ましい。また、犠牲層５５を除去するエッチングの時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。また、犠牲層５５を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜８や、振動膜１７となる第三の絶縁膜１０がほとんどエッチングされないような犠牲層材料が求められる。犠牲層５５を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜８や、振動膜１７となる第三の絶縁膜１０がエッチングされる場合、振動膜１７の厚さばらつき、第一の電極７と第二の電極１１との間の距離ばらつきが発生する。振動膜１７の厚さばらつき、第一の電極７と第二の電極１１との間の距離ばらつきは、各セル間の感度、帯域ばらつきとなる。第二の絶縁膜８や、振動膜１７が窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜の場合、表面粗さが小さく、第二の絶縁膜８や、振動膜１７がエッチングされにくいエッチング液あるいはエッチングガスを用いることができる犠牲層材料が望ましい。例えば、アモルファスシリコン、ポリイミド、クロム等である。特に、クロムのエッチング液は、窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜をほとんどエッチングしないので、第二の絶縁膜８や、振動膜１７が窒化シリコン膜、あるいは酸化シリコン膜の場合、望ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、第三の絶縁膜１０を形成する。第三の絶縁膜１０は、低い引張り応力が望ましい。例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、５００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。振動膜１７が圧縮応力を有する場合、振動膜１７がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。また、大きな引張り応力の場合、第三の絶縁膜１０が破壊されることがある。従って、第三の絶縁膜１０は、低い引張り応力が望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力にできる窒化シリコン膜である。また、第三の絶縁膜１０の厚さは、犠牲層５５の上に成膜を行うため、犠牲層５５のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。

次に、図６（ｄ）に示すように、第二の電極１１を形成する。また隣接するセル２の第二の電極１１同士を接続する第一の電気配線１２を形成する。後に振動膜１７となる振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３も形成する。振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の長さ３７は、犠牲層５５の外形と第二の電極１１の外形との間に挟まれた点線で示した部分である。第二の電極１１、第一の電気配線１２、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３は、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅や厚さ、材料の違いにより、成膜やパターニング、エッチングの順序や回数を変更することで形成できる。第二の電極１１、第一の電気配線１２、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３は、残留応力が小さい材料が望ましい。アルミニウムやチタンや金、アルミニウム合金やチタン合金や金合金などである。犠牲層除去工程あるいは封止工程を第二の電極１１、第一の電気配線１２、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の形成後に行う場合、第二の電極１１は、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性、耐熱性を有する材料が望ましい。例えばアルミシリコン合金やチタンなどである。第二の電極１１、第一の電気配線１２、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３を形成する時には、表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。

次に、図６（ｅ）に示すように、第四の絶縁膜１４を形成する。第四の絶縁膜１４は、低い引張り応力が望ましい。例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、５００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。振動膜１７が圧縮応力を有する場合、振動膜１７がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。また、大きな引張り応力の場合、第四の絶縁膜１４が破壊されることがある。従って、第四の絶縁膜１４は、低い引張り応力が望ましい。例えば、応力コントロールが可能で、低い引張り応力にできる窒化シリコン膜である。また、第四の絶縁膜１４を設けることで、犠牲層エッチング後に第三の絶縁膜１０、第二の電極１１、振動膜の上に配置された第一の電気配線１３のたわみを制御することができる。

次に図１に示したように、第三の絶縁膜１０と第四の絶縁膜１４にエッチング孔１５を形成する。エッチング孔１５は、犠牲層５５をエッチングして除去するためにエッチング液あるいはエッチングガスを導入するための孔である。

次に、図６（ｆ）に示すように、犠牲層５５を除去して間隙９を形成する。犠牲層５５の除去方法は、ウエットエッチングやドライエッチングなどが好ましく、犠牲層材料としてクロムを用いた場合は、ウエットエッチングが好ましい。また犠牲層材料としてアモルファスシリコンを用いた場合は、ドライエッチングが好ましい。

次に、図６（ｇ）に示すように、エッチング孔１５を封止する為に、封止膜１６を形成する。第三の絶縁膜１０と第二の電極１１と振動膜の上に配置された第一の電気配線１３と第四の絶縁膜１４と封止膜１６で振動膜１７が形成される。エッチング孔１５は封止膜１６で封止される。封止膜１６は、間隙９に液体や外気が浸入しないことが求められる。間隙９が大気圧だと、温度変化によって間隙９内の気体が膨張したり収縮したりする。また間隙９には高い電界がかかる為、分子の電離などによる素子の信頼性低下の要因となる。そのため、封止は減圧した環境で行われることが求められる。間隙９内部を減圧する事で間隙９内部の空気抵抗を小さくすることができる。これにより振動膜１７が振動しやすくなり、ＣＭＵＴ１の感度を高くすることができる。また封止する事でＣＭＵＴ１を液体中で使用する事ができる。封止材料として、第四の絶縁膜１４と同じ材料であれば密着性が高い為好ましい。また、表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。第四の絶縁膜１４が窒化シリコンの場合、封止膜１６も窒化シリコンが好ましい。封止膜１６を形成した後に、第二の電極パッド４２を形成する。これにより第二の電極１１から電気信号を引き出したり、電圧を印加することができる。

図６では、第二の電極１１が第三の絶縁膜１０と第四の絶縁膜１４で挟まれた構成を一例として示したが、第四の絶縁膜１４を設けずに、第三の絶縁膜１０を形成した後にエッチング孔１５を形成して犠牲層エッチングを行ってもよい。その後封止膜１６を形成した後に第二の電極１１を設けることもできる。しかし第二の電極１１が最表面に露出していると、異物などにより素子がショートする可能性が高くなるため、第二の電極１１は絶縁膜の間に設けることが好ましい。

以上の工程を経る事で図６（ｇ）となり、図２のようなＣＭＵＴを作製する事ができる。図２の第一の電極パッド４１及び第二の電極パッド４２に電気的に接続された図示しない引き出し配線を用いることで、第一の電極７及び第二の電極１１に電圧を印加することができる。ＣＭＵＴ１で超音波を受信する場合、直流電圧を第一の電極７に印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極１１を有する振動膜１７が変形するため、第二の電極１１と第一の電極７との間の間隙９の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線に電流が流れる。この電流を図８に図示した送受信回路６４で電流−電圧変換を行い、電圧として超音波を受信することができる。また、第一の電極７に直流電圧を印加し、送信駆動電圧を第二の電極１１に印加すると、静電気力によって、振動膜１７を振動させることができる。これによって、超音波を送信することができる。

図７に駆動装置の一例を示す。駆動装置６０は、システム制御部６１、バイアス電圧制御部６２、送信駆動電圧制御部６３、送受信回路６４、超音波プローブ６５、画像処理部６６表示部６７で構成される。超音波プローブ６５は、被検体へ超音波を送信し、被検体から反射した超音波を受信するＣＭＵＴ１から構成される。送受信回路６４は、外部から供給されたバイアス電圧や送信駆動電圧を超音波プローブ６５に供給したり、超音波プローブ６５が受信した超音波を処理して画像処理部６６へ出力する回路である。バイアス電圧制御部６２は、超音波プローブ６５へバイアス電圧を供給する為に送受信回路６４へバイアス電圧を供給している。バイアス電圧制御部６２は、図示しない電源とスイッチから構成され、システム制御部６１から指示されたタイミングで、バイアス電圧を送受信回路６４へ供給する。送信駆動電圧制御部６３は、超音波プローブ６５へ送信駆動電圧を供給する為に送受信回路６４へ送信駆動電圧を供給する。システム制御部６１から指示されたタイミングで、所望の周波数特性と送信音圧の強度が得られる波形を、送受信回路６４へ供給する。画像処理部６６は、送受信回路６４から出力された信号を用いて画像変換（例えばＢモード画像、Ｍモード画像など）を行い、表示部６７へ出力する。表示部６７は、画像処理部６６から出力される画像信号を表示する表示装置である。画像表示部６７は、駆動装置６０とは別体の構成にすることもできる。システム制御部６１は、バイアス電圧制御６２、送信駆動電圧制御部６３、画像処理部６６などを制御する回路である。

図８に送受信回路６４の一例を示す。送受信回路６４は、送信部６８、受信部６９とスイッチ７０から構成される。送信駆動の際には、図７のシステム制御部６１から指示された送信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部６２から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ６５に印加する。同様にシステム制御部６１から指示された送信電圧に従い、送信駆動電圧制御部６３から印加された電圧を、送信部６８を介して超音波プローブ６５に印加する。送信駆動電圧が印加されると、スイッチ７０は開いた状態となり、受信部６９には信号が流れないようになる。送信駆動電圧が印加されない状態では、スイッチ７０は閉じた状態であり、受信の状態となる。スイッチ７０は、図示しないダイオードなどで構成されており、受信部６９が破壊されないようにする保護回路の役目を果たす。超音波プローブ６５から超音波が送信され、被検体で反射された超音波が超音波プローブ６５に戻ってくると、超音波プローブ６５は超音波を受信する。受信の際には、図７のシステム制御部６１から指示された受信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部６２から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ６５に印加する。スイッチ７０が閉じた状態であるため、受信信号は受信部６９で増幅され、画像処理部６６に送られる。

図９に超音波プローブ６５の一例の斜視図を示す。超音波プローブ６５は、静電容量型超音波トランスデューサ１と音響マッチング層７１と音響レンズ７２と回路基板７３から構成される。図９の静電容量型超音波トランスデューサ１は、図９に示すように素子３が１次元アレイのようにＸ方向に多数個並んでいる。図９では１次元アレイだが、素子３を２次元アレイにしてもよいし、コンベックス型など他の形状としてもよい。静電容量型超音波トランスデューサ１は、回路基板７３に実装され、電気的に接続される。回路基板７３は、図８に示した送受信回路６４と一体となった基板でも良いし、回路基板７３を介して図８のような送受信回路６４と接続させてもよい。静電容量型超音波トランスデューサ１が超音波を送信する表面側には、被検体と音響インピーダンスの整合を取る為に、音響マッチング層７１を設けている。音響マッチング層７１は、被検体への漏電を防止する為の保護膜として設けてもよい。音響マッチング層７１を介して音響レンズ７２が配置されている。音響レンズ７２は被検体と音響マッチング層７１との間で、音響インピーダンスの整合が取れる物を用いるのが好ましい。図９のようなＹ方向に曲率を持つ音響レンズ７２を設けると、Ｙ方向に広がる超音波を音響レンズの焦点位置で絞る事ができる。Ｘ方向に広がる超音波はそのままでは絞る事が出来ない為、素子３毎に超音波を送信するタイミングをずらしてビームフォーミングで送信駆動する事で、焦点位置で超音波を絞ることができる。音響レンズ７２の形状は、所望の超音波の分布特性が得られる形状にするのが好ましい。また、用いる被検体の種類に応じて、音響マッチング層７１や音響レンズ７２の種類や形状を選択すれば良いし、設けなくてもよい。超音波プローブ６５へのバイアス電圧や送信駆動電圧の供給や、被検体から反射した超音波を受信した受信信号は、図示しないケーブルを介して送受信回路６４または画像処理部６６へ伝送される。

本実施例では、本発明を説明する為に、ＣＭＵＴ１の構造とその製造方法について記載する。図１、図２、図６、図１０、図１１を用いて、本実施例のＣＭＵＴ１について説明する。本実施例では、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８について説明する。

図２に示したＣＭＵＴ１の外形寸法は、Ｙ方向が５００（ｕｍ）、Ｘ方向が５００（ｕｍ）である。素子３の外形は、Ｘ方向が４７０（ｕｍ）、Ｙ方向が４７０（ｕｍ）、である。図１のＡ−Ｂ断面図が図６（ｇ）である。素子３を構成するセル２はエッチング孔１５に繋がる部分を除いて略円形の形状であり、間隙９の直径は３６（ｕｍ）である。間隙９の直径とは、第二の絶縁膜８と第三の絶縁膜１０が接している部分で構成される第二の絶縁膜８側の直径である。セル２は図１のように最密に配置されており、１つの素子３を構成するセル２は、隣接したセルと３９（ｕｍ）の間隔で配置されている。つまり隣接しているセル２同士の間隙９の最短距離は３（ｕｍ）である。

図６を用いて断面構造と製造方法を説明する。図６（ｇ）に示すようにセル２は、３００（ｕｍ）厚さのシリコン基板５、シリコン基板５上に形成される第一の絶縁膜６、第一の絶縁膜６上に形成される第一の電極７、第一の電極７上の第二の絶縁膜８を有する。また、第二の電極１１と振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３と第三の絶縁膜１０と第四の絶縁膜１４と封止膜１６を含む振動膜１７と、間隙９を有している。さらに隣接する第二の電極１１を繋ぐ第一の電気配線１２を有する。間隙９の高さは１４０（ｎｍ）である。間隙９の高さとは、Ｚ軸方向の距離である。さらに、第一の電極７と第二の電極１１との間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段２０と、第二の電極１１に送信電圧を印加する電圧印加手段２１を有している。

第一の絶縁膜６は、熱酸化により形成した厚さ１（ｕｍ）のシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜８は、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した１００（ｎｍ）のシリコン酸化膜である。第一の電極７は厚さが１００（ｎｍ）のタングステンである。第二の電極１１と第一の電気配線１２と振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３は厚さが１００（ｎｍ）のＡｌ−Ｎｄ合金である。第二の電極１１の直径は３２（ｕｍ）であり、第一の電気配線１２の幅は５（ｕｍ）である。このとき振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８を適宜変更することができる。本実施例では、ＣＭＵＴ毎に、２（ｕｍ）、５（ｕｍ）、１０（ｕｍ）、２０（ｕｍ）、３０（ｕｍ）に変更する。振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の長さ３７は、２（ｕｍ）である。第三の絶縁膜１０と第四の絶縁膜１４と封止膜１６はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、４５０（ＭＰａ）以下の引張り応力で形成している。第三の絶縁膜１０の厚みは３５０（ｎｍ）、第四の絶縁膜１４の厚さは４００（ｎｍ）、封止膜１６の厚さは４５０（ｎｍ）である。第二の電極パッド４２は５００（ｎｍ）のＡｌである。本実施例の犠牲層５５はアモルファスシリコンを用いて、ゼノンフロライドによるドライエッチングで犠牲層５５を除去する。

上記の方法で、図２のようなＣＭＵＴ１を作成できる。ここで、第一の電気配線１２の幅は５（ｕｍ）である。つまり素子３を構成する内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８も５（ｕｍ）である。素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８が１０（ｕｍ）、２０（ｕｍ）、３０（ｕｍ）のＣＭＵＴは、素子３の内側のセル２の幅１８よりも広いので、傷に対する耐久性が向上している。これによりＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。

図１０に、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８とプルイン電圧の関係を示す。横軸は第一の電気配線１３の幅１８であり、縦軸はその幅をもつセルのプルイン電圧である。図１０に示すように、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８が広くなるに従い、プルイン電圧が増加している。ここで、素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８は５（ｕｍ）であることから、内側のセル２のプルイン電圧は８１Ｖである。例えば、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８が３０（ｕｍ）の場合、外周のセル２のプルイン電圧は８７Ｖであり、同一素子３の中でプルイン電圧が６Ｖ異なることになる。このプルイン電圧の差は、感度ばらつきを発生させるため、第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を適宜調整して、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にするのが好ましい。図１１にプルイン電圧が８１Ｖとなる間隙９の高さと振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８との関係を示す。横軸は第一の電気配線１３の幅１８であり、縦軸は間隙９の高さである。図１１に示すように、間隙９の高さを調整することで、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にすることができる。素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８が３０（ｕｍ）の場合は、間隙９の高さを１３０（ｎｍ）、幅１８が２０（ｕｍ）の場合は１３２（ｎｍ）、幅１８が１０（ｕｍ）の場合は１３６（ｎｍ）、である。以上のことから、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にすることで、素子３の外周のセル２の傷に対する耐久性を向上すると共に、素子３を構成するセル２の感度ばらつきを低減することができる。本実施例では第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を、間隙９の高さで調整したが、第二の絶縁膜８や第三の絶縁膜１０の厚さを調整して、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を調整しても良い。

本実施例では、本発明を説明する為に、ＣＭＵＴ１の構造とその製造方法について記載する。図６、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５を用いて、本実施例のＣＭＵＴ１について説明する。本実施例では、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さについて説明する。

本実施例のＣＭＵＴ１の構造と製造方法は、基本的に実施例１と同じである。実施例１と異なる点は、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さと、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８である。本実施例では、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８は、素子３の内側と外周のセル２で共に５（ｕｍ）である。また第一の電気配線１２の幅は５（ｕｍ）である。素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さは、ＣＭＵＴ毎に、５０（ｎｍ）、１００（ｎｍ）、１４０（ｎｍ）、２００（ｎｍ）、３００（ｎｍ）に変更する。素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さは１４０（ｎｍ）である。実施例１と同様の方法で図２のようなＣＭＵＴ１を作成できる。図１２に本実施例の断面構造の一例を示す。

ここで、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９が１４０（ｎｍ）以上のＣＭＵＴは、素子３の内側のセル２の厚さ１９よりも厚いので、傷に対する耐久性が向上している。これによりＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。

図１３に、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９とプルイン電圧の関係を示す。横軸は第一の電気配線１３の厚さ１９であり、縦軸はその厚さをもつセルのプルイン電圧である。図１３に示すように、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９が厚くなっても、プルイン電圧はほとんど変わらない。第一の電気配線１３の厚さ１９が１４０（ｎｍ）のプルイン電圧は８１Ｖ、３００（ｎｍ）のプルイン電圧は８０．９Ｖであり、その差は０．１Ｖ未満である。通常のプルイン電圧の検出限界以下であるといえる。このことから、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９を厚くすることで、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧のばらつきを生じさせることなく、傷への耐久性を向上することができる。

また、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９と共に、第二の電極１１の厚さを、ＣＭＵＴ毎に、５０（ｎｍ）、１００（ｎｍ）、１４０（ｎｍ）、２００（ｎｍ）、３００（ｎｍ）に変更する場合について説明する。第二の電極１１の厚さ及び第一の電気配線１３の厚さ１９を変えたＣＭＵＴは、前述した方法で製造することができる。断面構造は、図１２に示した第二の電極１１の厚さが第一の電気配線１３の厚さ１９と同じ厚さになっている。図１４に、素子３の外周を構成するセル２の第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９とプルイン電圧の関係を示す。横軸はセル２の第二の電極１１の厚さ及び第一の電気配線１３の厚さ１９であり、縦軸はその厚さをもつセルのプルイン電圧である。図１４に示すように、第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９が厚くなるに従い、プルイン電圧が減少している。ここで、素子３の内側のセル２の第二の電極１１の厚さ及び第一の電気配線１３の厚さ１９は１４０（ｎｍ）であり、その厚さのセル２のプルイン電圧は８１Ｖである。例えば素子３の外周のセル２の第二の電極１１の厚さ及び第一の電気配線１３の厚さ１９が３００（ｎｍ）の場合、その厚さのセル２のプルイン電圧は７７Ｖである。同一素子３の中でプルイン電圧が４Ｖ異なっている。この差は感度ばらつきを発生させるため、第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を適宜調整して、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にするのが好ましい。図１５に、プルイン電圧が８１Ｖとなる間隙９の高さと第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９の関係を示す。横軸は第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さであり、縦軸は間隙９の高さである。図１５に示すように、間隙９の高さを調整することで、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にすることができる。第二の電極１１の厚さ及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９が３００（ｎｍ）の場合は、間隙９の高さを１４９（ｎｍ）にすることで、プルイン電圧を８１Ｖにすることができる。

以上のことから、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を同等にすることで、素子３の外周のセル２の傷に対する耐久性を向上すると共に、素子３を構成するセル２の感度ばらつきを低減することができる。本実施例では第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を、間隙９の高さで調整したが、第二の絶縁膜８や第三の絶縁膜１０の厚さを調整して、素子３を構成するセル２のプルイン電圧を調整しても良い。

本実施例では、本発明を説明する為に、ＣＭＵＴ１の構造とその製造方法について記載する。図６、図１６、図１７を用いて、本実施例のＣＭＵＴ１について説明する。本実施例では、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率について説明する。

本実施例のＣＭＵＴ１の構造と製造方法は、基本的に実施例１と同じである。実施例１と異なる点は、素子３の内側と外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅が同じ５（ｕｍ）であることと、素子３の内側と外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率が異なることである。本実施例では、ＣＭＵＴ毎に、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率を、１０（ＧＰａ）〜１５０（ＧＰａ）まで変更する。素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率は７０．３（ＧＰａ）で、材料はＡｌ−Ｎｄである。実施例１と同様の方法で図２のようなＣＭＵＴ１を作成できる。

ここで、素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率は７０．３（ＧＰａ）である。よって素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率が７０．３（ＧＰａ）未満のセル２は、長期駆動に関する耐久性を向上することができる。例えば、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率が６８（ＧＰａ）のＡｌの場合、ＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。また、素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率を１００（ＧＰａ）のＴｉとする場合について説明する。このとき素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率を７０．３（ＧＰａ）のＡｌ−Ｎｄとすれば、素子３の外周を構成するセル２の長期駆動に関する耐久性を向上することができる。これによりＣＭＵＴの耐久性や信頼性を向上させることができる。

図１６に、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率とプルイン電圧の関係を示す。横軸は第一の電気配線１３のヤング率であり、縦軸はそのヤング率をもつセルのプルイン電圧である。図１６に示すように、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率が変化しても、プルイン電圧はほとんど変わらない。第一の電気配線１３のヤング率１０（ＧＰａ）のプルイン電圧は８０．９Ｖ、ヤング率が１５０（ＧＰａ）のプルイン電圧は８１Ｖであり、その差は０．１Ｖ未満である。通常のプルイン電圧の検出限界以下であるといえる。このことから、素子３の外周を構成するセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率を小さくすることで、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧のばらつきを生じさせることなく、長期駆動に関する耐久性を向上することができる。

また、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率と共に、第二の電極１１のヤング率を、ＣＭＵＴ毎に、１０（ＧＰａ）〜１５０（ＧＰａ）まで変更する場合について説明する。第二の電極１１のヤング率及び第一の電気配線１３のヤング率を変えたＣＭＵＴは、前途した方法で製造することができる。図１７に、素子３の外周を構成するセル２の第二の電極１１のヤング率及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率とプルイン電圧の関係を示す。横軸はセル２の第二の電極１１のヤング率及び第一の電気配線１３のヤング率であり、縦軸はそのヤング率をもつセルのプルイン電圧である。図１７に示すように、第二の電極１１のヤング率及び振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３のヤング率が大きくなるに従い、プルイン電圧が増加している。実施例１と同様に、素子３の外周のセル２の第一の電極７と第二の電極１１の間の距離を調整して、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧を同等にすることができる。以上のことから、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧のばらつきを生じさせることなく、長期駆動に関する耐久性を向上することができる。

本実施例では、本発明を説明する為に、ＣＭＵＴ１の構造とその製造方法について記載する。図１０、図１１、図１４、図１５を用いて、本実施例のＣＭＵＴ１について説明する。本実施例では、振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の応力について説明する。

本実施例のＣＭＵＴ１の構造と製造方法は、基本的に実施例１及び実施例２と同じである。前述したように、ＣＭＵＴの長期駆動に関する耐久性を向上するためには、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の応力を小さくすることが好ましい。そのためには、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８を、内側のセル２よりも狭くすることが好ましい。実施例１に示したように、素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の幅１８を５（ｕｍ）とし、素子３の外周のセル２の第一の電気配線１３の幅１８を２（ｕｍ）とすることで、長期駆動に関する耐久性を向上できる。このとき、実施例１の図１０に示したように素子３の外周のセル２のプルイン電圧が、素子３の内側のセル２のプルイン電圧よりも減少する。そのため、図１１に示したように素子３の外周のセル２の間隙９の高さを１４３（ｎｍ）にすることで、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧を同等にすることができる。これにより素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧のばらつきを生じさせることなく、ＣＭＵＴの長期駆動に関する耐久性を向上することができる。

また、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９を薄くするのが好ましい。実施例２に示したように、素子３の内側のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９を１００（ｎｍ）とし、素子３の外周のセル２の第一の電気配線１３の厚さ１９を５０（ｕｍ）とすることで、長期駆動に関する耐久性を向上できる。さらに、素子３の外周のセル２の振動膜１７の上に配置された第一の電気配線１３の厚さ１９を薄くするのと共に、第二の電極１１の厚さを薄くしても良い。このとき、実施例２の図１４に示したように素子３の外周のセル２のプルイン電圧が、素子３の内側のセル２のプルイン電圧よりも増加する。そのため、図１５に示したように素子３の外周のセル２の間隙９の高さを１３８（ｎｍ）にすることで、素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧を同等にすることができる。これにより素子３の内側と外周のセル２のプルイン電圧のばらつきを生じさせることなく、ＣＭＵＴの長期駆動に関する耐久性を向上することができる。

１、３０ 静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）
２、２−１、２−２、２−３、２−４ セル
３ 素子（エレメント）
４ 図１の拡大部分
５ 基板
６ 第一の絶縁膜
７ 第一の電極
８ 第二の絶縁膜
９ 間隙
１０ 第三の絶縁膜
１１ 第二の電極
１２ 第一の電気配線
１３ 間隙の上に配置された第一の電気配線
１４ 第四の絶縁膜
１５ エッチング孔
１６ 封止膜
１７ 振動膜
１８ 間隙の上に配置された第一の電気配線の幅
１９ 間隙の上に配置された第一の電気配線の厚さ
２０ 第一の電圧印加手段
２１ 第二の電圧印加手段
３１ 外周のセルを示す長い破線

Claims (18)

1. 複数のセルを含み構成される素子を有する静電容量型トランスデューサであって、
   前記セルは、第一の電極と、前記第一の電極と間隙を挟んで対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有し、
   前記複数のセルのうちの１つのセルの前記第二の電極は、隣接する少なくとも１つのセルの前記第二の電極と、第一の電気配線で電気的に接続されており、
   前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の構造とが異なることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の幅と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の幅とが異なることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
3. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の幅が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の厚さと、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の厚さとが異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の厚さが、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記第二の電極の厚さと、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記第二の電極の厚さとが異なることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記第二の電極の厚さが、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記第二の電極の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線のヤング率と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線のヤング率とが異なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
9. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線のヤング率が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
10. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記第二の電極のヤング率が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記第二の電極のヤング率と異なることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
11. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記第二の電極のヤング率が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記第二の電極のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
12. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の材料が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の材料と異なることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
13. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の疲れ限度が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の疲れ限度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
14. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の応力と、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の応力と異なることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
15. 前記複数のセルのうち、前記素子の外周に設けられた第１のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の応力が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルの前記間隙の上の前記第一の電気配線の応力よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
16. 前記素子の外周に設けられた第１のセルのプルイン電圧が、前記第１のセルよりも素子の内側に設けられた第２のセルのプルイン電圧と略同一であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
    被検体に超音波を照射することで生じる超音波を検出して、信号を出力する検出部と、
    前記信号に基づいて前記被検体に関する情報を取得する取得部と、を有することを特徴とする超音波プローブ。
18. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
    被検体に光を照射することで生じる音響波を検出して、信号を出力する検出部と、
    前記信号に基づいて前記被検体に関する情報を取得する取得部と、を有することを特徴とする光音響装置。

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