單層壓電片型超聲波探頭及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及單層壓電片型超聲波探頭及其制造方法，尤其涉及利用微細(xì)加工技術(shù) 制作的單層壓電片型超聲波探頭及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以往，利用超聲波圖像的超聲波診斷裝置在醫(yī)療領(lǐng)域中得到實(shí)際應(yīng)用。通常，這種 超聲波診斷裝置從超聲波探頭朝向被檢體內(nèi)發(fā)送超聲波光束，超聲波探頭接收來(lái)自被檢體 的超聲波回波，并對(duì)該接收信號(hào)進(jìn)行電氣處理，由此生成超聲波圖像。
[0003] 超聲波探頭采用利用了多層壓電體的變壓器型傳感器，然而近年來(lái)能夠容易制造 微小尺寸的陣列變壓器型傳感器，因而例如利用如專(zhuān)利文獻(xiàn)1及2公開(kāi)的微細(xì)加工技術(shù)制 作的單層壓電片型超聲波探頭受到關(guān)注。
[0004] 該單層壓電片型超聲波探頭也被稱(chēng)為所謂pMUT(壓電微細(xì)加工超聲波變壓器型 傳感器），具有在振動(dòng)板上依次層壓下部電極層和壓電體層和上部電極層而形成的壓電元 件，振動(dòng)板是通過(guò)對(duì)由硅等構(gòu)成的基板進(jìn)行局部加工而形成的。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0007] 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本專(zhuān)利第4043790號(hào)公報(bào)
[0008] 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本特表2008-535643號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明要解決的課題
[0010] 但是，為了將超聲波探頭應(yīng)用于超聲波診斷來(lái)生成高精度的超聲波圖像，需要以 MHz頻帶高速驅(qū)動(dòng)壓電元件，在進(jìn)行這樣的高速驅(qū)動(dòng)時(shí)，不能忽視作用于被相互層壓形成的 緊貼的各層之間的應(yīng)力。并且，由于長(zhǎng)時(shí)間的使用，產(chǎn)生相鄰的層剝離的可能性。在產(chǎn)生層 間的剝離時(shí)，將難以作為超聲波探頭發(fā)揮作用。這樣的層間的剝離現(xiàn)象在產(chǎn)生的聲壓比較 低的情況下，壓電元件的做功量較小，因而不會(huì)成為問(wèn)題，但是在產(chǎn)生特別高的聲壓的情況 下，由于做功量增大，該剝離現(xiàn)象明顯。
[0011] 另外，與以往使用由無(wú)機(jī)材料構(gòu)成的多層壓電體的探頭的聲阻抗相比，單層壓電 片型探頭的聲阻抗通常約為4~IOX 106kg/m2s，雖然相當(dāng)?shù)停蔷哂斜茸鳛槌暡ㄔ\斷 的對(duì)象的活體的聲阻抗1. 5~IOX 106kg/m2s高的值。因此，如果直接使用單層壓電片型探 頭進(jìn)行超聲波診斷，將導(dǎo)致超聲波光束對(duì)活體的透射率下降。尤其是單層壓電片型探頭雖 然適合于微細(xì)制作，但是難以實(shí)現(xiàn)較大的聲壓和較高的接收靈敏度，因聲阻抗的不整合導(dǎo) 致的超聲波光束的透射率的下降成為進(jìn)行高精度的超聲波診斷時(shí)的重大問(wèn)題。
[0012] 這樣，以往在考慮了對(duì)超聲波診斷的應(yīng)用時(shí)，未能明確如何設(shè)計(jì)單層壓電片型探 頭的構(gòu)造比較好，因而需要解決這一問(wèn)題。
[0013] 本發(fā)明正是為了解決以往的這種問(wèn)題而提出的，其目的在于提供一種單層壓電片 型超聲波探頭及其制造方法，能夠長(zhǎng)時(shí)間地可靠性良好地進(jìn)行高精度的超聲波診斷。
[0014] 用于解決課題的技術(shù)方案
[0015] 本發(fā)明的單層壓電片型超聲波探頭具有：基板，在該基板形成有分別具有預(yù)定的 形狀的多個(gè)開(kāi)口；多個(gè)振動(dòng)板，以分別將多個(gè)開(kāi)口的一端封堵的方式形成于基板上；多個(gè) 壓電元件部，形成于多個(gè)振動(dòng)板的表面上，并且分別具有壓電體層和形成于壓電體層的兩 面的一對(duì)電極層；以及被覆層，以填埋多個(gè)壓電元件部的方式配置在基板的表面上，而且由 聲阻抗為I. 5X IO6~4X 10 6kg/m2s、肖氏A硬度為75以下的有機(jī)樹(shù)脂構(gòu)成。
[0016] 優(yōu)選的是，開(kāi)口具有40~80 μ m的直徑，壓電體層具有1~10 μ m的厚度，壓電體 層的厚度與振動(dòng)板的厚度的比率被設(shè)定為1:0. 8~1. 2。
[0017] 另外，優(yōu)選選擇開(kāi)口的直徑與壓電體層的厚度的值的組合，以便使發(fā)送聲壓達(dá)到 預(yù)先設(shè)定的設(shè)定值以上。
[0018] 例如，能夠形成如下的組合：開(kāi)口具有40μπι的直徑，壓電體層具有1~5μπκ尤 其是2~3 μ m的厚度的組合;開(kāi)口具有50 μ m的直徑，壓電體層具有1~7 μ m、尤其是1~ 6 μ m的厚度的組合；開(kāi)口具有60 μ m的直徑，壓電體層具有2~9 μ m、尤其是4~8 μ m的 厚度的組合；開(kāi)口具有70 ym的直徑，壓電體層具有4~10 μπκ尤其是5~9 ym的厚度的 組合；或者開(kāi)口具有80 μ m的直徑，壓電體層具有6~10 μ m、尤其是9 μ m的厚度的組合。
[0019] 優(yōu)選的是，基板是經(jīng)由絕緣層在Si基材上形成有Si層的SOI基板，多個(gè)振動(dòng)板由 與以使各個(gè)絕緣層露出的方式將Si基材挖通成預(yù)定的形狀而形成的多個(gè)開(kāi)口對(duì)應(yīng)的部分 的Si層和絕緣層構(gòu)成。
[0020] 另外，多個(gè)開(kāi)口的預(yù)定的形狀能夠呈圓形或者正多邊形。
[0021] 優(yōu)選的是，多個(gè)壓電元件部以不超過(guò)各自對(duì)應(yīng)的振動(dòng)板的周緣部的方式形成于振 動(dòng)板的表面上。
[0022] 多個(gè)壓電元件部能夠配置成具有如下的細(xì)密填充構(gòu)造，即各個(gè)壓電元件部形成沿 仰角方向以預(yù)定的間距排列成直線狀的多個(gè)列，并且每列具有預(yù)定的間距的1/2的錯(cuò)位 量。
[0023] 另外，優(yōu)選被覆層具有滿(mǎn)足聲匹配條件的厚度。
[0024] 本發(fā)明的單層壓電片型超聲波探頭的制造方法，在基板上形成分別具有預(yù)定的 形狀的多個(gè)開(kāi)口和分別將多個(gè)開(kāi)口的一端封堵的多個(gè)振動(dòng)板，在多個(gè)振動(dòng)板的表面上分 別形成多個(gè)壓電元件部，以填埋多個(gè)壓電元件部的方式，在基板的表面上形成由聲阻抗為 I. 5X IO6~4X 10 6kg/m2s、肖氏A硬度為75以下的有機(jī)樹(shù)脂構(gòu)成的被覆層。
[0025] 發(fā)明效果
[0026] 根據(jù)本發(fā)明，在基板的表面上形成由聲阻抗為I. 5X IO6~4X 106kg/m2s、肖氏A硬 度為75以下的有機(jī)樹(shù)脂構(gòu)成的被覆層來(lái)填埋多個(gè)壓電元件部，因而各個(gè)壓電元件部被被 覆層保護(hù)，并且超聲波光束對(duì)活體的透射率提高，在聲壓較高的活體用的超聲波診斷用途 中，也能夠長(zhǎng)時(shí)間地可靠性良好地進(jìn)行高精度的超聲波診斷。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0028] 圖2是表示去除了被覆層的狀態(tài)的實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的俯視 圖。
[0029] 圖3是表示實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的主要部分的剖視圖。
[0030] 圖4是表示實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的彼此相鄰的兩個(gè)壓電元件區(qū) 域和與這些壓電元件區(qū)域連接的引出電極的局部放大俯視圖。
[0031] 圖5是按照工序順序表示實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的制造方法的圖。
[0032] 圖6是表示將實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭安裝在FPC上的狀態(tài)的俯視 圖。
[0033] 圖7是表示對(duì)基板的開(kāi)口的直徑進(jìn)行各種變化時(shí)的壓電體層的厚度與發(fā)送聲壓 的關(guān)系的曲線圖。
[0034] 圖8是表示有機(jī)樹(shù)脂材料的殘留振動(dòng)波形的圖，（A)是針對(duì)肖氏A硬度100以上 的有機(jī)樹(shù)脂材料的波形圖，（B)是針對(duì)肖氏A硬度62的有機(jī)樹(shù)脂材料的波形圖。
[0035] 圖9是表示有機(jī)樹(shù)脂材料的肖氏A硬度與殘留振動(dòng)的波數(shù)的關(guān)系的曲線圖。
[0036] 圖10是表示實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭的頻率與靈敏度的關(guān)系的曲線 圖。
[0037] 圖11是表示使用實(shí)施方式的單層壓電片型超聲波探頭拍攝的超聲波圖像的照 片。
【具體實(shí)