JP6833544B2 - 静電容量型トランスデューサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサおよびその製造方法に関する。

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、従来の超音波トランスデューサに搭載されている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は、振動膜の振動を用いて音響波（超音波）の送信や受信ができる。静電容量型トランスデューサは、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を有する構成である。以下では、静電容量型トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を単にＣＭＵＴと略すことがある。超音波診断装置は、被検体に対して、超音波トランスデューサから音響波を送信し、被検体からの反射信号を超音波トランスデューサで受信し、受信した信号に基づいて超音波画像を生成する装置である。超音波診断装置が有する超音波プローブは、大きな超音波を送信して被検体で反射された小さなエコー信号を受信することが求められている。

特許文献１には、超音波変換器としてＣＭＵＴを用い、ＣＭＵＴの上下電極間で生じる寄生容量を低減する構成の開示がある。

特表２００３−５００９５５号公報

特許文献１には、一対の電極が振動膜以外の領域でパターニングされ、一対の電極間にキャビティが設けられた領域以外では、一対の電極同士が対向しない構成とすることで寄生容量を低減している。

しかし、電極がパターニングされることで電極面積が減り、配線抵抗が大きくなるため、超音波の受信や送信の特性が低下することがある。

本発明に係る静電容量型トランスデューサは、
本発明に係る静電容量型トランスデューサは、素子を含み構成される静電容量型トランスデューサであって、前記素子は、複数のセルを備えており、前記セルは、基板と、前記基板の上に設けられた第一の電極と前記第一の電極と間隙を隔てて、前記第一の電極と対向するように設けられている、第二の電極を含む振動膜と、を備え、前記複数のセルの第一の電極同士が電気的に接続されることで、第一の共通電極を構成し、前記複数のセルの第二の電極同士が電気的に接続されることで、第二の共通電極を構成し、前記第一の共通電極と前記第二の共通電極とは、前記間隙を間に有する領域においてのみ対向するように配置され、前記素子において、前記第一の共通電極が設けられている領域は、前記第一の共通電極が設けられていない領域よりも広いことを特徴とする。

本発明に係る複数のセル構造を含み構成される素子を備えた静電容量型トランスデューサの製造方法であって、基板の上に第一の電極を形成する工程と、前記第一の電極の上に、前記セル構造毎に独立した間隙となるように、複数の犠牲層領域を形成する工程と、前記犠牲層領域の上に第二の電極を形成する工程と、前記犠牲層領域を除去し、前記セル構造毎に独立した前記間隙を形成する工程と、を有し、前記第一の電極は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記間隙を間に有する領域においてのみ対向するように形成されることを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。

本発明に係る静電容量型トランスデューサによれば、間隙を間に有する領域においてのみ電極が対向するように構成されることで、寄生容量を小さくできる。また、静電容量型トランスデューサに含まれる素子において下部電極が設けられている領域の面積が、設けられていない領域よりも広くすることで、電極面積を大きくできるため、配線抵抗を小さくできる。寄生容量を小さくし、配線抵抗を小さくできるため、超音波の受信や送信の特性を高くできる。

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。 図１の一部を表わす拡大図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための図２のＡ−Ｂ断面図。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための図２のＣ−Ｄ断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための駆動の説明断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための第一の電極形成後の上面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを駆動するための駆動装置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを駆動するための送受信回路の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための超音波プローブの一例である。 第一の電極６を除去しない場合の図１のＣ−Ｄ断面図である。 トランスインピーダンス型の電流電圧増幅回路の一例である。 図２の第一の電極形成後の上面図である。 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Ｅ−Ｆ断面図である。 本発明の実施例１のＣＭＵＴを説明するための上面図である。 本発明の実施例１のＣＭＵＴの製造方法を説明するための図１のＥ−Ｆ断面図である。 本発明の実施例１のＳ／Ｎの変化を示したグラフである。 本発明の実施例１のＳ／Ｎのばらつき変化を示したグラフである。 本発明の実施例２の送信回路図である。 本発明の実施例２の電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅を示したグラフである。 本発明の実施例２の電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅を示したグラフである。 本発明の実施例２の電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅を示したグラフである。 本発明の実施例２の焦点位置での８（ＭＨｚ）の音圧の比を示したグラフである。 本発明の実施例２の焦点位置での８（ＭＨｚ）の音圧分布を示したグラフである。 本発明の実施例２の焦点位置での８（ＭＨｚ）の方位分解能を示したグラフである。

（静電容量型トランスデューサ）
本発明の実施の形態に係る静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）について図１〜図６を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの上面図であり、図２は図１の一部を表す拡大図である。図３は図２のＡ−Ｂ断面図であり、図４は図２のＣ−Ｄ断面図である。図４は本実施得形態に係るＣＭＵＴの駆動について説明するための断面図である。図５はＣＭＵＴを駆動するための電圧印加手段を示した図である。図６は図１の第一の電極形成後の上面図である。図６の上面図は、第二の絶縁膜７と封止膜１１を省略している。

これらの図において、１は静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、２はセル、３は素子（エレメントと呼ぶこともできる）であり、複数のセル２を備える。そしてセル２が有する構成として、４は基板、５は第一の絶縁膜、６は第一の電極、７は第二の絶縁膜、８は間隙、９は第三の絶縁膜、１０は第二の電極、１１は封止膜（第五の絶縁膜）である。本実施形態において振動膜１２は第三の絶縁膜９、第二の電極１０、封止膜１１を有する。１３、１４、１８は振動膜支持部である。また１５は第一の電圧印加手段、１６は第二の電圧印加手段、１７は第一の電極を除去した部分、１９はエッチングホール、４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッドである。なお、電圧印加手段はいずれか一方だけでもよい。また、複数のセルの有する各々の第一の電極同士を電気的に接続するために、基板と振動膜支持部との間に設けられる領域を第一の接続部と呼ぶこともできる。また、複数のセルの有する各々の第二の電極同士を電気的に接続するために、振動膜支持部上に設けられる領域を第二の接続部と呼ぶこともできる。

図１〜６に示すように、本実施形態に係る静電容量型トランスデューサ１は素子３を含み構成され、素子３は、複数のセル２を備えている。ここで、素子３とは、超音波の信号を送受信する単位となるセル群のことを言う。すなわち、１つの素子３に含まれる複数のセル２で受信や送信される超音波の信号は１つとして扱われる。静電容量型トランスデューサ１は素子３を複数有し、素子３の各々は、超音波の受信及び送信の少なくともいずれか一方を独立して行うように構成することができる。

セル２は、基板４と、基板４の上に設けられた第一の電極６と、第一の電極６と間隙８を隔てて、第一の電極６と対向するように設けられている、第二の電極１０を含む振動膜１２と、を備える。

そして、複数のセル２の第一の電極同士が電気的に接続されることで、第一の共通電極（６で示される領域全体）を構成する。また、複数のセル２の第二の電極同士が電気的に接続されることで、第二の共通電極（１０で示される領域全体）を構成する。

図３、４に示されるように第一の共通電極６と第二の共通電極１０とは、間隙１２を間に有する領域においてのみ対向するように配置される。このような配置によって、寄生容量を小さくすることができる。

また、図１に示されるように、素子３において、第一の共通電極６が設けられている領域は、第一の共通電極が設けられていない領域１７よりも広い。つまり、第一の共通電極６と第二の共通電極１０とが対向せず、寄生容量が生じにくい領域においては、第一の共通電極６が形成されているため、電極の面積を大きくとることができ、配線抵抗を小さくできる。例えば、第一の共通電極や第二の共通電極の抵抗を１Ω以下とすることができる。

なお、第二の共通電極１０のうち、第一の共通電極６と対向しない領域を、少なくとも、振動膜支持部１４の上に設けることができる。

以下では、本実施形態に係る静電容量型トランスデューサの詳細について説明する。ＣＭＵＴ１は、支持基板４上に形成された第一の電極６と、前記第一の電極６と間隙８を挟んで対向して配された第二の電極１０を含む振動膜１２が振動可能に支持されたセル２を有する素子３が複数個からなる。静電容量型トランスデューサ１は第一の電極を除去した部分１７を有している。

図２では、４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４２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に記載のような長方形でも、正方形や六角形でも構わない。

図１と図３、図４に示すように、セル２は基板４、基板４上に形成される第一の絶縁膜５、第一の絶縁膜５上に形成される第一の電極６、第一の電極６上に形成される第二の絶縁膜７を有する。さらに、第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１で振動膜１２が形成され、振動膜１２を支持する振動膜支持部１３、間隙８とを有している。間隙８は、後述するが、エッチングホール１９を介して犠牲層をエッチングすることで形成する。振動膜支持部１３は、配線引き出しの為に第二の電極１０を含んでいる場合１３と含んでいない場合１４が存在する。基板４がガラス基板などの絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５はなくてもよい。また第二の絶縁膜７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。さらに封止膜１１は、振動膜１２の変形制御や間隙８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８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、長方形等の形状でも構わない。

また図５に示すように、セル２の第一の電極６と第二の電極１０との間に電圧を印加する電圧印加手段１５と、第二の電極に送信電圧を印加する電圧印加手段１６を有している。

本発明の静電容量型トランスデューサは、第一の電圧印加手段１５で第一の電極６にバイアス電圧を印加する事ができる。第一の電極６にバイアス電圧が印加されると、第一の電極６と第二の電極１０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１２は変位する。この状態で超音波が振動膜１２に到達すると、振動膜１２が振動する事で第一の電極６と第二の電極１０の間の静電容量が変化して第二の電極１０に電流が流れる。この電流を第二の電極１０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１５で第一の電極６にバイアス電圧を印加した状態で、第二の電圧印加手段１６から第二の電極１０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。

図４に示すように本実施形態では、間隙８が存在しない領域において、第二の電極１０と対向している第一の電極６を除去していることが特徴である。また、図１や図２に示す様に、第一の電極６が素子３をほぼ一面に覆っていることで、第一の電極６の配線抵抗が小さいことが特徴である。第一の電極６を除去した部分１７の大きさは、図２に示すように、第二の電極１０と略同一の大きさである。略同一の大きさとは、後に静電容量型トランスデューサ１の製造方法の説明で詳細に述べるが、第一の電極６と第二の電極１０の製造時に使用する露光装置のアライメント精度、および製造時のパターニング精度を見込んだ大きさにするのが好ましい。また後述する寄生容量が所望の数値になる大きさにするのが好ましい。図６は、第一の電極６を形成した後の上面図である。間隙８が存在しない領域で第二の電極１０と対向している第一の電極６を除去している。本実施形態の説明において、第一の電極６が素子３をほぼ一面に覆った構成にして、第一の電極６の一部を除去しているが、第二の電極１０が、素子３毎に素子３をほぼ一面に覆った構成にしても構わない。この場合、第二の電極１０は素子毎に分離した状態で、第二の電極１０の一部を除去する。そして第一の電極６を、素子３毎に分離せずに、図１に示した第二の電極１０のようにパターニングした構成にしてもよい。

図７に駆動装置の一例を示す。駆動装置４２は、システム制御部２０、バイアス電圧制御部２１、送信駆動電圧制御部２２、送受信回路２３、超音波プローブ２４、画像処理部２５、表示部２６で構成される。超音波プローブ２４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静電容量型トランスデューサ１から構成される。送受信回路２３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２４に供給したり、超音波プローブ２４が受信した超音波を処理して画像処理部２５へ出力する回路である。バイアス電圧制御部２１は、超音波プローブ２４へバイアス電圧を供給する為に送受信回路２３へバイアス電圧を供給している。バイアス電圧制御部２１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２０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２３へ供給する。送信駆動電圧制御部２２は、超音波プローブ２４へ送信駆動電圧を供給する為に送受信回路２３へ送信駆動電圧を供給する。システム制御部２０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２３へ供給する。画像処理部２５は、送受信回路２３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２６へ出力する。表示部２６は、画像処理部２５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２５は、駆動装置４２とは別体の構成にすることもできる。システム制御部２０は、バイアス電圧制御部２１、送信駆動電圧制御部２２、画像処理部２５などを制御する回路である。

図８に送受信回路２７の一例を示す。送受信回路２７は、送信部２８と受信部２９とスイッチ３０から構成される。送信駆動の際には、図６のシステム制御部２０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２１から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ２４に印加する。同様にシステム制御部２０から指示された送信電圧に従い、送信駆動電圧制御部２２から印加された電圧を送信部２８を介して超音波プローブ２４に印加する。送信駆動電圧が印加されると、スイッチ３０は開いた状態となり、受信部２９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３０は閉じた状態であり、受信の状態となる。スイッチ３０は、図示しないダイオードなどで構成されており、受信部２９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２４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２４に戻ってくると、超音波プローブ２４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２０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２１から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ２４に印加する。スイッチ３０閉じた状態であるため、受信信号は受信部２９で増幅され、画像処理部２５に送られる。

図９に超音波プローブ３１の一例の斜視図を示す。超音波プローブ３１は、静電容量型音響波トランスデューサ１と音響マッチング層３２と音響レンズ３３と回路基板３４から構成される。図９の静電容量型音響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。静電容量型音響波トランスデューサ１は、回路基板３４に実装され、電気的に接続される。回路基板３４は、図８に示した送受信回路２７と一体となった基板でも良いし、回路基板３４を介して図８のような送受信回路２７と接続させてもよい。静電容量型音響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３２を設けている。音響マッチング層３２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３２を介して音響レンズ３３が配置されている。音響レンズ３３は被検体と音響マッチング層３２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３３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３３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３２や音響レンズ３３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３１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２７または画像処理部２５へ伝送される。

次に、一般的な静電容量型トランスデューサ１の受信特性について説明する。図１０は、第一の電極６を除去しない場合の図１のＣ−Ｄ断面図である。まず図１０を用いて静電容量型トランスデューサ１の容量について説明する。図１０は、第一の電極６を除去しない場合の図１のＣ−Ｄ断面図である。図中、４は基板、５は第一の絶縁膜、６は第一の電極、７は第二の絶縁膜、８は間隙、９は第三の絶縁膜、１０は第二の電極、１１は封止膜、１２は振動膜、１８は振動膜支持部である。図１０において、第一の電極６と第二の電極１０が間隙８を挟んで対向している部分で生じるのがアクティブ容量Ｃａで、それ以外の部分で生じるのが寄生容量Ｃｐである。寄生容量は、間隙８が存在しない振動膜支持部１８で生じるものや、送受信回路との電気的な接続や送受信回路の基板内部の配線引き回しなどで生じるものが含まれる。静電容量型トランスデューサ１の受信性能と容量は、式１に示すような関係がある。
Ｓ／Ｎ∝Ｃａ／（Ｃａ＋Ｃｐ） （式１）

Ｓは受信特性のピーク感度、Ｎは送受信回路の積算ノイズである。Ｃａは振動膜１２が振動する領域のアクティブ容量、Ｃｐは寄生容量である。受信のＳ／Ｎは、アクティブ容量に対して寄生容量の比率が大きいと低下する。そのため、アクティブ容量に対する寄生容量の比率を小さくするのが好ましい。図４に示した本実施形態の構成にすることで、第一の電極６を除去した部分１７の容量をほぼ０にすることができる。これによりアクティブ容量に対する寄生容量の比率を小さくすることができる。

また送受信回路２７の受信部２９は、一般的にトランスインピーダンス型の電流電圧増幅回路が用いられる。図１１に受信部の回路図の一例を示す。図中、３５は容量、３６はオペアンプ、３７は帰還容量、３８は帰還抵抗である。図１１の受信部の回路ゲインの特性は式２、カットオフ周波数は式３で示される。
Ｇ＝Ｒｆ／（１＋ｊ×ω×Ｒｆ×Ｃｆ） （式２）
ｆ≒１／（２×π×Ｒｆ×Ｃｆ） （式３）

Ｇはゲイン、Ｒｆは帰還抵抗３８、Ｃｆは帰還容量３７、ωは入力電流の角周波数、ｆはカットオフ周波数である。また、図１１の受信部の回路を安定して駆動するためには、式４を満たす必要がある。
Ｃｆ≧（（Ｃｉｎ）／（π×ＧＢＷ×Ｒｆ））＾０．５ （式４）
＝（（Ｃａ＋Ｃｐ）／（π×ＧＢＷ×Ｒｆ））＾０．５

ＧＢＷはオペアンプの利得帯域幅、Ｃｉｎはオペアンプ３６の反転入力端子（−ＩＮ）に寄生する容量３５であり、Ｃａ＋Ｃｐである。Ｃｉｎが大きいと負帰還回路が不安定になり、受信部の回路自体が発振して電流電圧変換が行えなくなるため、Ｃｉｎの値に対して最適なＧＢＷ、Ｒｆ、Ｃｆを選択する必要がある。

さらに、式３、４から、式５の関係がわかる。
ｆ≒（π×ＧＢＷ×Ｒｆ）＾０．５／（２×π×Ｒｆ×（Ｃａ＋Ｃｐ）＾０．５）
（式５）

式４から、寄生容量Ｃｐが増えると受信部の回路を安定に駆動するために帰還容量Ｃｆを大きくする必要がある。帰還容量Ｃｆが大きくなると、式３から、所望のカットオフ周波数を得るために帰還抵抗Ｒｆを小さくする必要がある。帰還抵抗Ｒｆが小さくなると、式２から、受信部の回路ゲインが低下する。受信部の回路ゲインが低下すると、静電容量型トランスデューサ１の受信性能が低下する。また、式５より、寄生容量が増加すると検出回路のカットオフ周波数が小さくなるため、静電容量型トランスデューサ１の高周波数側の受信特性が低下して受信帯域が狭くなる。

これらのことから、アクティブ容量に対する寄生容量の比率を小さくするのが好ましい。図４に示した本実施形態の構成にすることで、第一の電極６を除去した部分１７の容量をほぼ０にすることができる。これによりアクティブ容量に対する寄生容量の比率を小さくすることができ、静電容量型トランスデューサ１の受信性能および受信特性を改善することができる。

次に一般的な静電容量型トランスデューサの送信特性について説明する。図１２に、図２の第一の電極形成後の上面図を示す。４は基板、６は第一の電極、１７は第一の電極を除去した部分、４０は素子間隔、４１は第一の電極パッド、４３は第一の電極１段あたりの幅である。

静電容量型トランスデューサ１から送信される音圧の特性は、振動膜１２と送信駆動電圧の特性の積で決まる。より大きな送信音圧を得るためには、間隙８を大きくして、より大きな電圧を印加し、振動膜１２をより大きく振動させればよい。

例えば、図９のような超音波プローブ３１において、素子３が１９２個１Ｄアレイ状に配置されており、端から９７番目の素子３に送信駆動電圧を印加する場合について説明する。まず静電容量型トランスデューサ１の第一の電極６にバイアス電圧を印加する。図２のように第一の電極６が全ての素子３に共通であれば、第一の電極パッド４１にバイアス電圧を印加すると、全ての素子３にバイアス電圧を印加できる。次に端から９７番目の素子３の第二の電極１０に送信駆動電圧を印加すると、振動膜１２が振動して音圧が送信される。このとき９７番目以外の素子３からも、電気的なクロストークにより音圧が送信される。送信電圧を印加した９７番目の素子３から見た静電容量型トランスデューサのインピーダンスは、各素子３の位置により異なる。そのため第二の電極１０に送信駆動電圧を印加すると、第一の電極６の素子間隔４０の抵抗に依存してバイアス電圧が揺らぐ。バイアス電圧は全ての素子３で共通であるため、送信電圧を印加していない全ての素子３の第一の電極６と第二の電極１０の間の電位差が変化して振動膜１２が振動し音圧が送信される。送信駆動電圧を印加していない素子３から電気的なクロストークによって音圧が送信されると、所望の送信音圧特性が得られなくなるため、電気的なクロストークは小さい方が好ましい。第一の電極６の素子間隔４０の抵抗が大きいと、電気的なクロストークが大きくなるため、第一の電極６の素子間隔４０の抵抗は小さい方が好ましい。

また、図９のような超音波プローブ３１でビームフォーミング駆動を行う場合、所望の位置でＸ方向に超音波を絞るために、各素子３には位相差をつけて送信駆動電圧を印加する。この時、各素子３で電気的なクロストークが生じる。この電気的なクロストークは、ビームフォーミング駆動を行うために、送信駆動電圧制御部２２から印加した送信駆動電圧に重畳される。電気的なクロストークで重畳された送信駆動電圧により、振動膜１２は振動するため、振動膜１２の変位が想定以上に大きくなり、振動膜１２が第二の絶縁膜７に接触する場合が生じる。振動膜１２が第二の絶縁膜７に接触すると、振動膜１２が帯電してバイアス電圧や送信駆動電圧がばらつくと共に、振動膜１２の振動特性がばらつくこととなり、静電容量型トランスデューサ１の性能低下の要因となる。そのため、電気的なクロストークで重畳された送信駆動電圧によって、振動膜１２が第二の絶縁膜７に接触しないように、電気的なクロストークを考慮して送信駆動電圧制御部２２から第二の電極１０に送信駆動電圧を印加する必要がある。第一の電極６の素子間隔４０の抵抗が大きいほど、電気的なクロストークが大きくなるため、送信駆動電圧制御部２２から各素子３に印加する送信駆動電圧を小さくする必要がある。そのため、各素子３に印加できる送信駆動電圧が小さくなり、送信音圧が低下する。よって、第一の電極６の素子間隔４０の抵抗は小さい方が好ましい。このような構造にすることで、第一の電極６の素子間隔４０の抵抗を小さくすることができる。図１５の４３は第一の電極１段あたりの幅を示す。（静電容量型トランスデューサの製造方法）
まず、本実施形態に係る、静電容量型トランスデューサの製造方法の概要について説明する。

本実施形態に係る静電容量型トランスデューサの製造方法は、静電容量型トランスデューサの製造方法であって、以下の各工程を少なくとも有する。
（１）基板５１の上に第一の電極５３を形成する工程（図１３（a））。
（２）第一の電極５３の上に、セル構造毎に独立した間隙となるように、複数の犠牲層領域５５を形成する工程（図１３（ｂ））。なお図１３（ｂ）では１つのセル構造のみについて示しており、他のセル構造については説明を省略している。
（３）犠牲層領域５５の上に第二の電極５７を形成する工程（図１３（ｄ））。
（４）犠牲層領域５５を除去し、セル構造毎に独立した間隙５９を形成する（図１３（ｅ））。

そして、第一の電極５３は、第一の電極５３と第二の電極５７とが間隙５９を間に有する領域においてのみ対向するように形成される。そのような第一の電極５３の形成の仕方としては特に限定されないが、基板５１の上の全体に第一の電極５３が形成される工程と、形成された第一の電極５３の一部を除去することにより形成してもよい（図１３の１７の領域）。また、基板５１の上の必要な位置のみに、第一の電極５３を形成してもよい。

なお、犠牲層領域上に設けられる第二の電極の領域は、犠牲層領域よりも狭くてもよい。

図１３を用いて本実施形態の静電容量型トランスデューサ１の製造方法の一例を示す。図１３は、図１のＥ−Ｆ断面図である。図１３（ａ）に示すように、基板５１上に第一の絶縁膜５２を形成する。基板５１はシリコン基板であり、第一の絶縁膜５２は第一の電極５３との絶縁を形成するためである。基板５１がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５２は形成しなくともよい。また、基板５１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５３と第二の電極５７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５１は、表面粗さの小さな基板が望ましい。さらに、第一の電極５３を形成する。第一の電極５３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５１と同様に、第一の電極５３の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極５３と第二の電極５７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５３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。後に形成する第二の電極５７と対向している第一の電極５３のうち、後に形成する間隙５９が存在する領域以外の部分を、少なくとも第二の電極５７と略同一の大きさで除去することで、第一の電極を除去した部分１７が形成される。略同一の大きさとは、後に形成する第二の電極５７がアライメント精度でずれたとしても、第一の電極５３と重ならない大きさが好ましい。露光装置のアライメント精度、および製造時のパターニング精度を考慮して決めるのが好ましい。また重なったとしても、後述する所望の寄生容量を満たす大きさとするのが好ましい。製造時のアライメント精度およびパターニング精度について説明する。例えばステッパなどの装置の精度を±０．０５ｕｍ〜０．１ｕｍ、アライナなどの装置の精度を±０．５ｕｍ〜±１ｕｍ程度で見込む場合には、第一の電極５３の大きさは、第二の電極３７の大きさよりも０．１ｕｍ〜２ｕｍ程度大きくすることが好ましい。第一の電極５３の一部を除去すると、表面に無数の段差が生じて後に形成する膜のカバレッジに悪影響が生じる可能性があるため、第一の電極５３の厚さは薄い方が好ましい。

次に、図１３（ａ）に示すように第二の絶縁膜５４を形成する。第二の絶縁膜５４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５３と第二の電極５７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５４の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、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。さらに、第二の絶縁膜５４の厚さは、第一の電極５３の上に成膜を行うため、第一の電極を除去した部分１７の段差を確実にカバレッジできる厚さとすることが好ましい。

次に、図１３（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５１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５３と第二の電極５７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エッチング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５４や、振動膜６１となる第三の絶縁膜５６がほぼ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５４や、振動膜６１となる第三の絶縁膜５６がエッチングされる場合、振動膜６１の厚さばらつき、第一の電極５３と第二の電極５７との間の距離ばらつきが発生する。振動膜６１の厚さばらつき、第一の電極５３と第二の電極５７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５４や、振動膜６１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５４や、振動膜６１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ぼエッチングしないので、第二の絶縁膜５４や、振動膜６１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１３（ｃ）に示すように、第三の絶縁膜５６を形成する。第三の絶縁膜５６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６１が圧縮応力を有する場合、振動膜６１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５６が破壊されることがある。従って、第三の絶縁膜５６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５６の厚さは、犠牲層５５の上、第一の電極を除去した部分１７の段差の上に成膜を行うため、犠牲層５５のカバレッジと第一の電極を除去した部分１７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１３（ｄ）に示すように、第二の電極５７を形成する。第二の電極５７は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウムなどである。犠牲層除去工程あるいは封止工程を第二の電極５７の形成後に行う場合、第二の電極５７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５７を形成する時には、第一の電極を除去した部分１７において、後述する所望の寄生容量を満たすサイズとアライメント精度で形成するのが好ましい。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。

次に、図１３（ｅ）に示すように、第二の絶縁膜５６にエッチングホール５８を形成する。図１３（ｅ）は、エッチングホール５８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。その後、犠牲層５５を除去して間隙５９を形成する。犠牲層除去方法は、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、ウェットエッチングが好ましい。犠牲層材料としてクロムを用いた場合、犠牲層エッチングの際に第二の電極５７がエッチングされないようにするために、第二の電極５７をチタンとするのが好ましい。第二の電極５７をアルミシリコン合金などを用いる場合には、第二の電極５７を形成した後に第二の電極５７上に第三の絶縁膜５６と同じ材料で絶縁膜を形成し、その後エッチングホール５８を形成して犠牲層除去を行うのが好ましい。

次に、図１３（ｆ）に示すように、エッチングホール５８を封止する為に、封止膜６０を形成する。第三の絶縁膜５６と第二の電極５７と封止膜６０で振動膜６１が形成される。封止膜６０は、間隙５９に液体や外気が浸入しないことが求められる。間隙５９が大気圧であると、温度変化によって間隙５９内の気体が膨張したり収縮したりする。また間隙５９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５９内部を減圧する事で間隙５９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６１が振動しやすくなり、静電容量型トランスデューサ１の感度を高くすることができる。また封止する事で静電容量型トランスデューサ１を液体中で使用する事ができる。封止材料として、第三の絶縁膜５６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。第三の絶縁膜５６が窒化シリコンの場合、封止膜６０も窒化シリコンが好ましい。

図１３では、第二の電極５７が第三の絶縁膜５６と封止膜６０で挟まれた構成を一例として示したが、第三の絶縁膜５６を形成した後にエッチングホール（開口部）５８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６０を形成した後に第二の電極５７を設けることもできる。しかし第二の電極５７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５７は絶縁膜に設けることが好ましい。また、図１３（ｆ）で封止膜６０を形成した後に、封止膜６０の一部をエッチングして封止膜６０を薄くしてもよい。封止膜６０はエッチングホール５８を封止する必要があるため、間隙５９の厚さに応じて厚さを変える必要がある。間隙５９の厚さを大きくし、封止膜６０の厚さを薄くする場合には、エッチングホール５８を封止できる厚さを成膜した後に、振動膜６１となる部分を含んだ封止膜６０をエッチングするのが好ましい。

以上の工程を経る事で図１３（ｆ）となり、図１のような静電容量型トランスデューサを作製する事ができる。図２の第二の電極パッド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、第二の電極５７から電気信号を引き出すことができる。静電容量型トランスデューサ１で超音波を受信する場合、直流電圧を第一の電極５３に印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極５７を有する振動膜６１が変形するため、第二の電極５７と第一の電極５３との間の間隙５９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２７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５３に直流電圧を印加し、送信駆動電圧を第二の電極５７に印加すると、静電気力によって、振動膜６１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。

（実施例１）
本実施例では、本発明の効果を説明する為に、静電容量型トランスデューサ１の受信のＳ／Ｎについて記載する。

図１４、図１、図１５を用いて、本実施例の静電容量型トランスデューサ１について説明する。図１４は静電容量型トランスデューサの上面図である。図１４の拡大模式図は図１と共通である。図１５は図１のＥ−Ｆ断面図である。

図１４に示した静電容量型トランスデューサ１の外形寸法は、Ｙ方向が１２（ｍｍ）、Ｘ方向が４５（ｍｍ）である。素子３の外形は、Ｘ方向が０．３（ｍｍ）、Ｙ方向が４（ｍｍ）であり、１９６個１次元アレイ状に配置している。図１４の一部を拡大した模式図が図１であり、図１のＥ−Ｆ断面図が図１５（ｉ）である。素子３を構成するセル２は円形の形状であり、間隙８の直径は１５（ｕｍ）である。セル２は図１４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１７（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８の最短距離は２（ｕｍ）である。図１４ではセル数は省略しているが、実際には１つの素子３には４６９０個のセルを配置させており、Ｘ方向に２０セル、Ｙ方向に２３４セルの場合と２３５セルの場合の２種類を混在させて配置している。

図１５を用いて断面構造と製造方法を説明する。図１５（ｉ）に示すようにセル２は、３００（ｕｍ）厚さのシリコン基板５１、シリコン基板５１上に形成される第一の絶縁膜５２、第一の絶縁膜５２上に形成される第一の電極５３、第一の電極５３上の第二の絶縁膜５４を有する。さらに、第二の電極５７と第三の絶縁膜５６と第四の絶縁膜６２を含む振動膜６５と、振動膜６５を支持する振動膜支持部６６、間隙５９を有している。間隙５９の高さは３００（ｎｍ）である。さらに、第一の電極と第二の電極との間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段６７と、第二の電極に送信電圧を印加する電圧印加手段６８を有している。

第一の絶縁膜５２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５４は、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により形成した４００（ｎｍ）のシリコン酸化膜である。第一の電極５３は厚さが５０（ｎｍ）のタングステンである。第一の電極５３は、間隙５９が存在しない領域で、第二の電極５７と対向している部分を、少なくとも第二の電極５７と略同一の大きさで除去している。図１５（ｉ）では、第二の電極５３の配線幅Ｗ２が５（ｕｍ）の時、第一の電極を除去する幅Ｗ１を６（ｕｍ）としている。第一の電極５３を除去する幅Ｗ１は、製造に用いる露光装置のアライメント精度やパターニング精度に適したサイズにするのが好ましい。このとき第一の電極５３を除去した面積は、≒２２（ｍｍ＾２）である。これに対して、第一の電極５３は、Ｘ方向がＷ３＝４１（ｍｍ）、Ｙ方向がＷ４＝４（ｍｍ）であるので、第一の電極の面積は、１６４（ｍｍ＾２）−２２（ｍｍ＾２）≒１４２（ｍｍ＾２）である。第一の電極５３の面積が第一の電極５３を除去した面積よりも大きくすることで、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が小さくなり好ましい。

第二の電極５７は厚さが１００（ｎｍ）のＡｌ−Ｎｄ合金である。第三の絶縁膜５６と第四の絶縁膜６２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５６の厚みは２００（ｎｍ）であり、第四の絶縁膜６２の厚さは１００（ｎｍ）である。

本実施例では、図１５（ｇ）のように、第二の電極５７を形成した後に、第四の第四の絶縁膜６２を形成する。さらに第四の絶縁膜６２の上にスットパ層６３を形成する。ストッパ層６３は１００（ｎｍ）のＡｌである。ストッパ層６３の形成後にエッチングホール５８を形成し、犠牲層を除去して間隙５９を形成する。犠牲層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を除去する。次に図１５（ｈ）のように、封止膜６４を９００（ｎｍ）形成する。封止膜６４はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜である。間隙５９を封止するために封止膜６４を９００（ｎｍ）形成している。次に図１５（ｉ）のように、封止膜６４の一部を除去する。間隙５９を封止している箇所を残して、封止膜６４をドライエッチングで除去する。この時、ストッパ層６３が封止膜６４のエッチングストッパとなる。その後ウェットエッチングでストッパ層６３を除去して、第三の絶縁膜５６と第二の電極５７と第四の絶縁膜６２からなる振動膜６５を形成する。以上の工程を経た静電容量型トランスデューサ１は、第一の電極５３が端部４か所の第一の電極パッド４１で直流電源６７と接続可能な状態になる。また第二の電極５７は素子３毎に第二の電極パッド４２で配線が引き出され、図８に示した送受信回路２７と接続可能な状態になる。以上の工程を経て、図１４のような静電容量型トランスデューサを作製する事ができる。

この静電容量型トランスデューサ１を、図９に示したように回路基板３４に実装し、第一の電極５３を直流電源６７と接続し、第二の電極５７を送受信回路と接続する。また、静電容量型トランスデューサ１の振動膜６５には、音響マッチング層３２を介して音響レンズ３３を実装する。音響マッチング層３２は、３０（ｕｍ）の厚さのシリコーン樹脂を用い、音響レンズ３３は、曲率半径１３（ｍｍ）、最大厚さ６００（ｕｍ）のシリコーン樹脂を用いる。このような工程により、図９のような超音波プローブ３１を作成できる。

以上の工程を経た超音波プローブ１の特性について説明する。この超音波プローブ１のプルイン電圧は２４０（Ｖ）である。プルイン電圧とは、間隙を隔てて形成された一対の電極の間に電圧を印加した場合に、振動膜の復元力より静電引力の方が大きくなる電圧の事である。プルイン電圧以上の電圧を印加すると、振動膜が間隙底面の第二の絶縁膜に接触する。振動膜が第二の絶縁膜に接触すると、素子が有する周波数特性が大きく変化する為、音響波の受信感度や送信音圧の強度が大きく変化する。超音波プローブを構成する素子のうち、プルイン電圧以上の電圧が印加された素子とされない素子が混在すると、受信感度や送信音圧のばらつきが大きくなる為、一般的にはプルイン電圧以上の電圧が印加されない状態で駆動するのが好ましい。静電容量型トランスデューサ１を駆動する時には、バイアス電圧をプルイン電圧以下にすることが好ましい。素子の製造ばらつきやバイアス電圧の変動を考慮するのが好ましい。本実施例では、プルイン電圧の８０（％）の１９２（Ｖ）をバイアス電圧とする。この時の素子３のアクティブ容量は、１７（ｐＦ）である。寄生容量は、第一の電極５３が第二の電極５７と間隙５９以外で重なる部分を除去しているため、静電容量型トランスデューサ１の内部ではほぼ０（ｐＦ）である。第一の電極５３が第二の電極５７と間隙５９以外で重なる部分を除去しない場合には、７（ｐＦ）発生する。また、送受信回路２７に接続したり送受信回路２７の基板内部の配線の引き回しなどで寄生容量が発生する。

図１６に、第一の電極を除去した部分１７の面積による、Ｓ／Ｎの変化を示す。図１６の横軸は、振動膜支持部１４の第二の電極５７の面積と第一の電極を除去した部分１７の面積の比であり、縦軸は、各横軸での受信のＳ／Ｎを寄生容量Ｃｐ＝０（ｐＦ）の時の受信のＳ／Ｎで除した値である。図１６に示すように、振動膜支持部１４の第二の電極５７の面積に対し、第一の電極を除去した部分１７の面積が増加すると、静電容量型トランスデューサ１の内部で生じる寄生容量が低下するため、受信Ｓ／Ｎが向上する。第一の電極を除去した部分１７の面積が、振動膜支持部１４の第二の電極５７の面積と同等以上になると、静電容量型トランスデューサ１の内部で生じる寄生容量が変化しなくなるため、受信Ｓ／Ｎは一定値となる。このことから、第一の電極５３を、少なくとも振動膜支持部１４の前記第二の電極５７と同等の大きさで除去することが好ましい。図１６において破線で囲った部分である、振動膜支持部１４の第二の電極５７の面積と第一の電極を除去した部分１７の面積の比Ｘが、Ｘ≦１が好ましい範囲である。ただしＸが小さくなると、第一の電極を除去した部分１７が重なりあい、第一の電極５３が静電容量型トランスデューサ１の内部で共通電極として機能しなくなるため、機能する範囲に収めるのが好ましい。

第一の電極５３を形成する時、露光装置のアライメント精度およびパターニング精度を考慮する必要がある。第一の電極５３を除去する部分１７の幅Ｗ１は、第二の電極５７の振動膜支持部１４の幅Ｗ１よりも０．１（ｕｍ）〜２（ｕｍ）程度大きくすることが好ましい。また第一の電極５３を除去する部分１７の長さは、隣接しているセル２同士の間隙８の最短距離は２（ｕｍ）と同じである。このことから、第一の電極５３の幅Ｗ１は、最低でも５．１（ｕｍ）以上にするのが好ましく、７．０（ｕｍ）以上にしても好ましい。また、第一の電極５３の長さは、最低でも２．１（ｕｍ）以上にするのが好ましく、４．０（ｕｍ）以上にしても好ましい。前述した略同一の大きさとは、露光装置のアライメント精度およびパターニング精度を含めた大きさのことであり、本実施例では、上記の値を略同一の大きさとみなす。

図１７に、式１で示した、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐによる、Ｓ／Ｎの変化を示す。図１７の横軸はアクティブ容量に対するアクティブ容量＋寄生容量の比Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐであり、縦軸は各Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐでの受信のＳ／Ｎを寄生容量Ｃｐ＝０（ｐＦ）の時の受信のＳ／Ｎで除した値である。Ｃｐが増えるとＣｉｎも増えるため、受信部２９の回路のカットオフ周波数を一定にして、式４を満たす最小のＣｆを選択し、受信部２９の回路ゲインが最大となるＲｆを選択して受信特性と検出回路の積算ノイズを計算した。受信部２９はトランスインピーダンス型の電流電圧増幅回路を用い、カットオフ周波数は５（ＭＨｚ）とした。

図１７に示したように、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐが小さくなると受信のＳ／Ｎが低下する。本実施例の構造でのＣａ／Ｃａ＋Ｃｐ＝１のときのＳ／Ｎが１であるのに対し、第一の電極５３が第二の電極５７と間隙５９以外で重なる部分を除去しない場合（Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐ＝０．６２）のＳ／Ｎは０．９７である。また、図１７から、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐ＝０．６６以上となると受信Ｓ／Ｎの変化が緩やかになることが分かる。このことから、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐ≧０．６６を満たす構造にするのが好ましい。図１７において破線で囲った部分が好ましい範囲である。本実施例の構造で、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐ≧０．６６を満たすのに最低限必要な第一の電極５３の幅Ｗ２を説明する。本実施例の構造でＣａ／Ｃａ＋Ｃｐ≧０．６６を満たす寄生容量は、８．８（ｐＦ）である。送受信回路で寄生容量が７（ｐＦ）生じる前提だと、静電型トランスデューサ１内部での寄生容量は、１．８（ｐＦ）以下にする必要がある。第二の電極５７の幅Ｗ１は、１セルあたり４本存在し、第二の電極５７の長さは２（ｕｍ）、幅Ｗ１は５（ｕｍ）である。第二の絶縁膜５４の比誘電率を４．４５、第三の絶縁膜５６の比誘電率を６．８、真空誘電率を８．８５４×１０＾−１２（Ｆ／ｍ）とすると、幅Ｗ２は大まかに次のように求められる。
Ｗ２＝（５×１０＾−６（ｍ））−（１．８×１０＾−１２（Ｆ）／（４６９０（個）×４（本）／２）×（４００×１０＾−９（ｍ）／４．４５＋２００×１０＾−９（ｍ）／６．８）／（８．８５４×１０＾−１２（Ｆ／ｍ）×１×１０＾−６（ｍ）×４（本）））／４≒４．８（ｕｍ）

第一の電極５３の幅Ｗ１を４．８（ｕｍ）以上にすることで、Ｃａ／Ｃａ＋Ｃｐ≧０．６６を満たす。露光装置のアライメント精度およびパターニング精度を考慮すると、第一の電極５３の幅Ｗ１は、第二の電極５７の幅Ｗ１よりも０．１（ｕｍ）〜２（ｕｍ）程度大きくすることが好ましい。このことから、第一の電極５３の幅Ｗ１は、最低でも４．９（ｕｍ）以上にするのが好ましく、６．８（ｕｍ）以上にしても好ましい。また第一の電極５３の長さは、前述した図１６と同じ長さが好ましい。

ただし、図１６、１７で説明した第一の電極５３の幅Ｗ１や長さは、必要以上に大きくすると、第一の電極を除去した部分１７が重なりあい、第一の電極５３が静電容量型トランスデューサ１の内部で共通電極として機能しなくなる可能性がある。そのため、第一の電極５３の幅Ｗ１や長さは、第一の電極５３が静電容量型トランスデューサ１の内部で共通電極として機能する範囲に収めるのが好ましい。本実施例の場合、第一の電極５３の幅Ｗ１は、４．９（ｕｍ）以上から７．０（ｕｍ）以下にするのが好ましい。また、第一の電極５３の長さは、２．１（ｕｍ）以上から４．０（ｕｍ）以下にするのが好ましい。

第一の電極５３の幅Ｗ１や長さは、製造に用いる装置のアライメント精度およびパターニング精度を考慮するのが好ましい。また第一の電極５３の幅Ｗ１や長さは、所望の特性が得られる寄生容量となるようにするのが好ましい。

このことから、本実施例の構成にすることで、受信特性を改善することができる。

（実施例２）
本実施例では、本発明の効果を説明する為に、静電容量型トランスデューサ１の送信特性について記載する。第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗による、電気的なクロストークの変化について説明する。

図１８に実施例１のような超音波プローブ３１で送信する時の送信回路図を示す。図１９、２０、２１に第一の電極６の素子間隔４０の抵抗と、電気的なクロストークによって各素子３に印加される送信駆動電圧の振幅の関係を示す。図１８は、素子３が１９２個あり、第一の電極５３が全ての素子３に共通で繋がっており、９７番目の素子に送信駆動電圧Ｖａｃを印加している。１９２個の各素子３の容量をｃ１〜ｃ１９２、第一の電極６の素子間隔４０の抵抗をｒ、第一の電極５３とグランド間の抵抗をＲｓとする。Ｒｓは５（Ω）とする。また各素子３の容量をアクティブ容量と寄生容量を含めて２０ｐＦとする。図１８のような送信回路で、８１番目の素子３から１１２番目の素子３までの３２素子を用いて、ビームフォーミング送信駆動を行う場合について説明する。本実施例では、３２素子を用いてビームフォーミング送信駆動を行ったときに、超音波トランスデューサ３１の表面から２１ｍｍ伝播した位置で音圧が最大になるように駆動する。そのためには、端の８１番目の素子と１１２番目の素子から、中心の９６番目の素子と９７番目の素子に向かって、送信駆動電圧を印加するタイミングをずらして送信駆動を行えばよい。

図１８において、９７番目の素子３に送信駆動電圧Ｖａｃを振幅１で入力すると、その他の素子３の素子間の抵抗ｒと、容量ｃ１〜ｃ１９２によってバイアス電圧が揺らぐ。すると、その他の素子３の第一の電極５３と第二の電極５７の間の電位差が変化する。これが電気的なクロストークである。ビームフォーミング駆動を行うと、送信駆動電圧Ｖａｃが振幅１でその他の素子３に順番に印加されるため、次々と電気的なクロストークが発生する。この電気的なクロストークは、ビームフォーミング駆動を行うために各素子３に印加した送信駆動電圧Ｖａｃに重畳される。振動膜６５は重畳された送信駆動電圧によって振動するため、電気的なクロストークによって送信特性が変化する。

図１９、図２０、図２１の縦軸は、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅である。横軸は、素子番号である。各グラフの送信駆動電圧Ｖａｃは８（ＭＨｚ）の電圧を印加している。図１９は、第一の電極５３の素子間の抵抗４０が０（Ω）の場合である。この時、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅は、＋２．７（％）〜−２．９（％）の範囲でばらつく。図２０は、第一の電極５３の素子間の抵抗４０が１（Ω）の場合である。この時、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅は、＋１５．２（％）〜−１６．１（％）の範囲でばらつく。図２１は、第一の電極５３の素子間の抵抗４０が１０（Ω）の場合である。この時、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅は、＋３４．５（％）〜−２６．３（％）の範囲でばらつく。

送信音圧は、送信駆動電圧を大きくして振動膜の振動を大きくするほど大きくなるため、なるべく送信駆動電圧を大きくして駆動するのが好ましい。またバイアス電圧と送信駆動電圧の和はプルイン電圧以下とするのが好ましい。バイアス電圧と送信駆動電圧の和がプルイン電圧以上となると、振動膜６５が間隙５９の底面の第二の絶縁膜５４に接触する。振動膜６５が第二の絶縁膜５４に接触すると、送信音圧の強度が大きく変化する。また超音波プローブ３１を構成する素子３のうち、プルイン電圧以上の電圧が印加された素子３とされない素子３が混在すると送信音圧のばらつきが大きくなる。そのため一般的にはプルイン電圧以上の電圧が印加されない状態で駆動するのが好ましい。以上のことから、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅のばらつきを含めて、全ての素子３の振動膜６５が第二の絶縁膜５４に接触しないように駆動する必要がある。

本実施例では、バイアス電圧をプルイン電圧の５０（％）にした場合の送信駆動について説明する。第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が０（Ω）の場合、送信駆動電圧の振幅はプルイン電圧の４７．３（％）未満にする必要がある。第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が１（Ω）の場合には、送信駆動電圧の振幅はプルイン電圧の３４．８（％）未満にする必要がある。第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が１０（Ω）の場合には、送信駆動電圧の振幅はプルイン電圧の１５．５（％）未満にする必要がある。第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が大きくなるに従い、電気的なクロストークが重畳された送信駆動電圧の振幅のばらつきが大きくなり、印加できる送信駆動電圧の振幅を小さくしなくてはならないため、得られる送信音圧が低下する。

図２２に、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗と３２素子でビームフォーミング駆動をした時の焦点位置の８（ＭＨｚ）の音圧の比を示す。図２２の横軸は第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗を示し、縦軸は第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が０（Ω）の時の音圧で規格化している。図２２に示すように、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が大きくなるに従い、得られる音圧が小さくなっている。一般的に、音圧比が１０（％）低下すると、画像への影響が顕著になる。図２２から、音圧比が１０（％）低下するのは第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が１（Ω）の場合であるので、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗は１（Ω）以下にするのが好ましい。図２２において、破線で囲った部分が好ましい範囲である。

また図２３に、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が０（Ω）の時の３２素子でビームフォーミング駆動をした時の焦点位置の８（ＭＨｚ）の音圧分布を示す。図２３の横軸は、図１４のＸ方向の距離を示し、縦軸は最大音圧で規格化した音圧比を示す。Ｘ＝０（ｍｍ）附近にメインローブがあり、メインローブからＸ方向に離れるに従い、サイドローブが発生しているのが分かる。図２３の−２０ｄＢでのメインローブの方位分解能は、０．５６（ｍｍ）である。方位分解能が小さいほど、送信特性が良好であると言える。図２４に、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗と３２素子でビームフォーミング駆動をした時の焦点位置の８（ＭＨｚ）の方位分解能を示す。図２４の横軸は第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗を示し、縦軸は各抵抗での−２０ｄＢの方位分解能を示す。図２４から、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗が１（Ω）を超えると、方位分解能が大きく低下している。このことから、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗は１（Ω）以下にするのが好ましい。図２４において、破線で囲った部分が好ましい範囲である。

実施例１と同様の構造の場合、第一の電極５３の素子間隔４０の抵抗は次の通りである。第一の電極５３のタングステンの抵抗率を５．３×１０＾−８（Ω・ｍ）とし、第一の電極１段あたりの幅４３を１５（ｕｍ）とする。このときの素子間隔４０の抵抗は、大まかに次のように求められる。
素子間隔４０の抵抗＝１／（１／（３×１０＾−３（ｍ）×５．３×１０＾−８（Ω・ｍ）／（５０×１０＾−９（ｍ）×１５×１０＾−６（ｍ）））×２３４（段））≒０．１（Ω）

本実施例の構造では、音圧比が０．９７となり、画像を取得するのに十分な音圧が得られ、さらに方位分解能も０．５７（ｍｍ）と小さく好ましい。

以上のように、間隙が存在する領域以外に配された第二の電極と対向している第一の電極を、少なくとも第二の電極と略同一の大きさで除去する構成で、音響波変換素子などに用いられる静電容量型トランスデューサを作成できる。この静電容量型トランスデューサの構成により、寄生容量と配線抵抗が低減でき、受信特性および送信特性を改善することができる。

１ 静電容量型トランスデューサ
２ セル
３ 素子（エレメント）
４ 基板
５ 第一の絶縁膜
６ 第一の電極（第一の共通電極）
７ 第二の絶縁膜
８ 間隙
９ 第三の絶縁膜
１０ 第二の電極（第二の共通電極）
１１ 封止膜
１２ 振動膜
１３、１４、１８ 振動膜支持部
１５ 第一の電圧印加手段
１６ 第二の電圧印加手段
１７ 第一の電極を除去した部分
１８ エッチングホール

Claims (10)

1. 素子を含み構成される静電容量型トランスデューサであって、
   前記素子は、複数のセルを備えており、
   前記セルは、
   基板と、
   前記基板の上に設けられた第一の電極と
   前記第一の電極と間隙を隔てて、前記第一の電極と対向するように設けられている、第二の電極を含む振動膜と、
   を備え、
   前記複数のセルの第一の電極同士が電気的に接続されることで、第一の共通電極を構成し、前記複数のセルの第二の電極同士が電気的に接続されることで、第二の共通電極を構成し、
   前記第一の共通電極と前記第二の共通電極とは、前記間隙を間に有する領域においてのみ対向するように配置され、
   前記素子において、前記第一の共通電極が設けられている領域は、前記第一の共通電極が設けられていない領域よりも広いことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 前記第二の共通電極のうち、前記第一の共通電極と対向しない領域は、少なくとも、前記振動膜支持部の上に設けられてい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. 前記第一の共通電極の抵抗が、１Ω以下であることを特徴とする、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. 前記第二の共通電極の抵抗が、１Ω以下であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記基板と前記第一の電極との間に第一の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記第一の電極と前記間隙との間に第二の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 前記間隙と前記第二の電極との間に第三の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 前記第二の電極の上に第四の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
9. 前記第四の絶縁膜の上に第五の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
10. 前記素子を複数有し、前記素子の各々は、超音波の受信及び送信の少なくともいずれか一方を独立して行うように構成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。

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