專利名稱：超聲波探頭和使用它的超聲波診斷裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種拍攝診斷圖像的超聲波探頭和使用它的超聲波診斷裝置。
背景技術：
作為 使用超聲波檢查現有的檢測體的領域的超聲波探頭，例如有專利文獻I所揭示的技術。該發明由在硅基板上制作的間隙、絕緣層、電極構成，在該硅基板的相反面導入了音響阻抗與硅基板大致相等的緩沖材料。構造為對電極與硅基板之間施加DC電壓而使間隙縮小到一定的位置，并且施加AC電壓，使間隙縮小或擴大，由此發送超聲波。另外，還兼有以下功能通過照射到檢測體反射的超聲波，來接收檢測電極與硅基板之間的電容變化的超聲波。在此，緩沖材料具有降低發送接收時的超聲波的反射的作用。具體的緩沖材料是改變鎢微粒的混合比例而混合到環氧樹脂中，與硅的音響阻抗匹配。
另外，在專利文獻2中，揭示了在音響阻抗為1. 3 6MRayls的音響襯墊上設置壓電元件的超聲波探頭，記載了將氧化鋅纖維混合到音響襯墊中的混合材料。
另外，在專利文獻3 中，記載了將 CMUT (Capacitve Micromachined Ultrasonic Tansducer電容式微加工超聲傳感器)芯片和襯墊粘接，能夠得到短脈沖，即寬頻帶的超聲波波形從而適合于高分辨率。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:美國專利第6714484B2號說明書
專利文獻2 :日本特開2008-118212號公報
專利文獻3 :日本特開2008-119318號公報發明內容
發明要解決的問題
在超聲波診斷裝置中使用的超聲波探頭向檢測體發送超聲波，接收從檢測體反射來的超聲波將其圖像化。超聲波具有在音響阻抗不同的物體的界面反射的性質。因此，通過在構成超聲波探頭的超聲波收發設備、設置在前面的音響透鏡、設置在背面的襯墊等的界面處的超聲波的反射，會造成畫質的降低。關于前面，主流的方法是在音響透鏡和超聲波收發設備之間設置具有中間音響阻抗的匹配層，來降低反射。關于背面，大多采用以下的方法，即為了通過襯墊使傳遞到背面的超聲波衰減，使襯墊的音響阻抗與超聲波收發設備的音響阻抗相等。但是，來自背面的反射如下所述由于CMUT固有的原因，通過現有的使音響阻抗相等的方法難以降低反射。
本發明追究上述的背面反射的原因，設想改善手段，其目的在于，降低從超聲波收發設備向背面釋放的超聲波的反射，得到高畫質的診斷圖像。
更具體地說，新發現了在使用了 CMUT的探頭中，對空洞上的薄膜施加的振動經由支持薄膜的狹窄的外框傳遞到硅基板，在硅基板內圓筒狀地擴散而擴大的過程中產生反射。其目的在于，提供一種寬帶地防止該背面的音響反射的構造。
解決問題的技術方案
為了解決上述問題，本發明的超聲波探頭的特征在為在基板上設置空洞、夾著上述空洞的絕緣層、夾著上述空洞和絕緣層的上層電極和下層電極來形成超聲波振動元件， 隔著低彈性構件在襯墊上保持上述基板，向上述電極之間施加直流電壓和交流電壓，使上述超聲波振動元件振動，使上述襯墊的音響阻抗為由上述基板和上述低彈性構件構成的機械阻抗的 ± IMRayls (106kg/m2s)以內。
本發明的超聲波診斷裝置使用上述超聲波探頭，得到來自檢測體的超聲波診斷圖像。
發明效果
根據本發明，能夠提供一種能夠降低從超聲波收發設備釋放到背面的超聲波的反射，并且能夠提供一種使用本發明的超聲波探頭能夠提示高畫質的診斷圖像的超聲波診斷>J-U ρ α裝直。
圖1是表示超聲波探頭的概要結構的圖。
圖2是超聲波收發設備、襯墊、音響透鏡等的截面圖。
圖3是表示超聲波收發設備、襯墊、柔性基板的立體圖。
圖4是超聲波收發設備的部分放大圖。
圖5是超聲波收發設備的單元的部分截面圖。
圖6是襯墊的長軸方向的截面圖。
圖7是說明超聲波的反射的模型的圖。
圖8是表不超聲波收發設備的基板的厚度和反射率之間的關系的圖。
圖9是表示對超聲波收發設備的背面的反射進行分析所得的頻率和反射系數之間的關系的圖。
圖10是表示對超聲波收發設備的背面的反射進行分析所得的頻率和相位之間的關系的圖。
圖11是通過有限要素法進行分析的結果，襯墊和低彈性構件的共振頻率&的1/4 的反射率的等聞線圖。
圖12是通過有限要素法進行分析的結果，襯墊和低彈性構件的共振頻率&的1/2 的反射率的等聞線圖。
圖13是通過有限要素法進行分析的結果，襯墊和低彈性構件的共振頻率&的3/4 的反射率的等高線圖。
圖14是通過有限要素法進行分析的結果，匯總了圖11、圖12、圖13的反射率的最大值用等高線表示的圖。
具體實施方式
`
使用圖1 圖14說明本發明的實施方式。
在圖1中表示具備超聲波收發設備(超聲波振動元件)2的超聲波探頭I的概要構造。超聲波探頭I被用于醫療結構中的人體檢查(心臟、血管等循環器官的檢查、腹部檢查等)。超聲波探頭I在襯墊3的前端具備超聲波收發設備2，在超聲波收發設備2上通過引線接合連接有具有與連接器91連接的布線92的柔性基板4。連接器91與電路基板97連接，電路基板97的連接端子98與超聲波診斷裝置連接。超聲波診斷裝置向超聲波收發設備2施加電信號對其進行驅動，并且對從檢測體接收的電波的信號進行圖像化。在超聲波收發設備2的表面，具備用于使從超聲波收發設備2產生的超聲波在檢測體方向上聚焦的硅樹脂的音響透鏡94。超聲波收發設備2經過音響透鏡94向人體等檢測體95收發超聲波。
圖2是表示圖1所示的超聲波探頭I的音響透鏡94、超聲波收發設備(超聲波振動元件)2、襯墊3以及周邊設置的構造體的截面的圖。隔著樹脂45在襯墊3上安裝有超聲波收發設備2。還隔著樹脂46在襯墊3上固定用于將超聲波收發信號傳遞到基板(未圖示) 的柔性基板4。通過引線接合法用引線42將超聲波收發設備2和柔性基板4連接起來。通過密封樹脂47將引線42和連接部周圍密封，具有固定引線42和防止由于施加驅動電壓造成的電遷移的效果。在這些構造體上，用樹脂41連接固定音響透鏡94。另外，這些構造體具有能夠容納在外殼43中的結構。用樹脂44填充外殼43和音響透鏡2之間的間隙。
圖3是表示圖1所說明的超聲波收發設備2、襯墊3、柔性基板4的圖。將超聲波收發設備2和襯墊3的長邊方向表不為長軸方向L,將短邊方向表不為短軸方向M。用樹脂將超聲波收發設備2粘接在襯墊3上。在超聲波收發設備2上連接有用于電力供給和信號傳遞的柔性基板4。將柔性基板4和襯墊3粘接，超聲波收發設備2的電極焊盤(未圖示) 和柔性基板4的布線焊盤(未圖示)如圖2所示，通過引線接合連接(未圖示)。
圖4是超聲波收發設備2的部分放大圖。高密度地排列多個單元21來構成超聲波收發設備2。在圖中，表示出單元21的長邊方向A、短邊方向B、單元間隔C、單元間距D。 另外，也表示出圖3所示的長軸方向L。匯總多個單元21作為通道，對每個通道連接布線 92來控制超聲波的收發。
圖5是圖4所示的超聲波收發設備2的單元21的2個E-E截面圖,還表示了襯墊3。單元21由成為基礎基板的基板22、絕緣膜26a 26e、構成平行平板電極的下層電極23 和上層電極25、電極的間隙的空洞24構成。單元與單元之間的壁的部分是外框27。在單元2和襯墊3之間設置有低彈性構件5。低彈性構件5是用于將單元2粘接到襯墊3的粘接樹脂。即，在基板22上，設置空洞24、夾著上述空洞的絕緣層26b、26c、夾著上述空洞和絕緣層的上層電極25和下層電極23而形成超聲波振動元件，隔著低彈性構件5在襯墊3 上保持上述基板22。另外，在圖5中，還表示出圖3、圖4所示的長軸方向L。理想的是基板 22的材料是硅，但也可以使用玻璃、陶瓷等低熱膨脹材料。另外，對于低彈性構件5，環氧樹脂、橡膠等材料是理想的。
當在下層電極23和上層電極25之間施加直流電壓，進而施加脈沖電壓(交流電壓)，則通過庫倫力，空洞24上的由絕緣層26c、26d、26e、上層電極25構成的薄膜振動而發送超聲波。當向單元入射來自檢測體95的反射波時，薄膜振動，下層電極23和上層電極25 之`間的距離變動，由此發生變位電流，將其轉換為接收電信號。當在這些發送、接收時，向薄膜施加力，則對支持薄膜的外框27施加力，超聲波傳遞到基板22。
圖6是表示圖3所示的襯墊3的F-F截面的圖,在樹脂材料中配合有碳纖維32。碳纖維32的配合的方向沿著襯墊31的長軸方向L，理想的是相對于長軸方向L為30度以下的角度，也可以大致與長軸方向L平行。在該情況下，與短軸方向M大致垂直。該碳纖維 32的排列方向是沿著單元2的短邊方向B的方向。在圖6所示的方向上將熱膨脹率小的碳纖維32與襯墊配合，由此與短軸方向M的熱膨脹系數相比，能夠大幅降低襯墊3的長軸方向L的熱膨脹率。例如根據配合率，能夠將熱膨脹率為IOOppm左右的樹脂的熱膨脹率降低到I 20ppm。理想的是碳纖維32的配合率是20 50體積百分比。理想的是碳纖維32 的長度是ΙΟμπι IOmm左右。另外，理想的是碳纖維的直徑是2 100 μ m。這樣，通過使作為單元2的短邊B方向的襯墊的長軸方向L的熱膨脹率接近基板22的熱膨脹率，能夠減輕將超聲波收發設備2和襯墊3粘接時的加熱、組裝工序所造成的熱應力。單元2的短邊方向B對于超聲波收發性能，即排列在長軸方向L上的各通道的偏差造成的影響大，因此理想的是熱應力造成的變形極少。因此，在本發明中，使襯墊3的碳纖維32在單元2的短邊方向B對齊，降低襯墊3的熱膨脹率。并且，理想的是通過添加二氧化硅33、鎢34等低熱膨脹并且密度不同的粒子，來調整熱膨脹率和音響阻抗。另外，在添加了低熱膨脹的粒子的情況下，還能夠降低短軸方向M的熱膨脹率，具有減輕熱應力的效果。
然后，說明單元21的背面的超聲波的反射。圖5所示的從單元21釋放的超聲波經由外框27還向具有檢測體95的方向，即與前面方向相反方向的單元21的背面方向釋放。當向該背面方向傳遞的超聲波反射而返回到前面方向時，脈沖的衰減時間延長波形惡化。另外，當來自檢測體95的例如皮下脂肪等的反射返回到單元21，在背面反射向前面方向釋放時，除了本來被檢測體組織反射而返回的超聲波回波以外，通過單元21還檢測出上述從背面反射的超聲波，在診斷圖像中出現多重像等虛影，或者分辨率降低，因此，需要極力地降低來自背面的反射。為了防止由于來自背面的反射造成的診斷圖像惡化，根據經驗， 需要使來自背面的反射率為一 IOdB (31%)以下。
為了調查來自單元21的背面的反射的原因，通過基于有限要素法的分析計算從圖7所示的狹窄的外框27向使用了硅的基板22入射IOMHz的超聲波時的反射。這時，以基板22的下表面作為首響吸收邊界。圖8表不基板22的厚度和反射率之間的關系。可知與沒有反射的界面無關，當基板22變厚，反射急劇地增大。已知以下的現象，即在揚聲器等音響設備中，與波長相比振動部分小的情況下，波動球面狀地擴大，聲壓和體積速度的相位偏離不傳送聲音。可知相對于外框27的尺寸為數μ m，使用了硅的基板22的波長在IOMHz 約為8500 μ m較大，所以在圖7的基板22內所示的箭頭的方向上以波狀線表示的圓筒波狀地擴展的過程中，超聲波進行反射。已知作為現有的一般想法的使基本與襯墊的音響阻抗一致的方法在必然具有外框27的CMUT中無效。理想的是硅基板的厚度為50 μ m以下。
實施了用于降低來自該單元21的背面的反射的研究。作為影響因素，是作為基板的硅的厚度、楊氏模量、密度、襯墊的楊氏模量、密度、單元21的寬度B、單 元與單元之間的部分即外框27的寬度C、低彈性構件5的厚度。通過基于有限要素法的分析來計算這些多個影響因素的理想的范圍。
圖9是分析結果的一個例子，表示了接收頻率f和背面的反射系數R之間的關系。 設單元寬度B為25 μ m，使用硅的基板22和低彈性構件5的厚度分別為50 μ mUO μ m,使襯墊3的彈性率變化。關于圖中6-1、6-2、6-3、6-4使用的襯墊3的彈性率，以6-1為基準，6_2 為2倍的值，6-3為O. 5倍的值，6-4為O. 25倍的值。當改變襯墊的楊氏模量，如后述那樣，相當于取襯墊的音響阻抗的平方根倍的情況。反射造成的損失需要在一 IOdB以內，即31% 以內，因此，當在圖中引出一 IOdB的線時，6-3的情況(圖中的〇標記的線)頻率范圍最廣， 在該條件下是理想的。
圖10表示圖9的結果的頻率f和相位Θ之間的關系，7-1對應于6-1，7-2對應于 6-2，7-3對應于6-3，7-4對應于6_4。圖中，7-3是6_3的條件的結果，但相位為O的范圍多，平緩地變化(圖中的〇標記)。可以認為由于硅的基板22和低彈性構件5的機械振動， 來自外框的圓筒波擴散的相位的偏離被緩和，向背面的聲音有效地傳遞到襯墊。另外，這時的硅的基板22和低彈性構件5的機械振動的共振頻率約為10MHz，以其大約1/2的頻率為中心，能夠在寬頻帶中降低反射。即，可以將基板和低彈性構件的機械振動的共振頻率的大致1/2的頻率設為超聲波驅動的中心頻率。作為CMUT的特征的寬頻帶的短脈沖由于窄頻帶的反射降低，波形失真惡化。已知如果適當地設定基板22和低彈性構件5的機械振動、 襯墊3的音響特性，則能夠降低寬頻帶的反射，因此，能夠不使短脈沖惡化地降低反射。
基板22和低彈性構件5的振動的特征在于I個自由度振動的機械阻抗Zm。根據基板22的每單位面積的質量M和低彈性構件5的每單位面積的彈簧常數k，用公式I表示機械阻抗。在此，根據基板22的厚度t、密度P，通過M=tP求出每單位面積的質量M，另外根據低彈性構件5的楊氏模量E、泊松比Y、厚度d，通過下述公式2得到彈簧常數k。
公式I
權利要求
1.一種超聲波探頭，在基板上設置空洞、夾著上述空洞的絕緣層、夾著上述空洞和絕緣層的上層電極和下層電極來形成超聲波振動元件，隔著低彈性構件在襯墊上保持上述基板，向上述電極之間施加直流電壓和交流電壓，使上述超聲波振動元件振動，所述超聲波探頭的特征在于，使上述襯墊的音響阻抗為由上述基板和上述低彈性構件構成的機械阻抗的土 IMRayls (106kg/m2s)以內。
2.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，上述機械阻抗由上述基板的質量和上述低彈性構件的彈簧常數構成。
3.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，將由上述基板和上述低彈性構件構成的機械阻抗和上述襯墊的音響阻抗設為大致相同的值。
4.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，在將由上述基板的質量和上述低彈性構件的彈簧常數構成的機械阻抗的值設為ZxJf 襯墊的音響阻抗的值設為Zy時，使上述Zx和Zy同時滿足以下3個公式的范圍的值。Zx ≤ 7. 4MRayls (106kg/m2s)Zy ≤8. 3MRayls (106kg/m2s)Zy ≤ 0. 883Zx — 0. 532MRayls (106kg/m2s)
5.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，上述基板是硅基板。
6.根據權利要求5所述的超聲波探頭，其特征在于，上述娃基板厚度為50 μ m以下。
7.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，上述襯墊的長軸側的線膨脹系數比短軸側的線膨脹系數小。
8.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，上述襯墊是含有碳纖維的樹脂。
9.根據權利要求8所述的超聲波探頭，其特征在于，在上述樹脂中添加二氧化硅、鎢等低熱膨脹并且密度不同的粒子。
10.根據權利要求1所述的超聲波探頭，其特征在于，將上述基板和上述低彈性構件的機械振動的共振頻率的大致1/2的頻率設為超聲波驅動的中心頻率。
11.一種超聲波診斷裝置，使用權利要求1所述的超聲波探頭，得到來自檢測體的超聲波診斷圖像。
全文摘要
為了降低放射到與超聲波收發設備的超聲波發送方向相反的一側的超聲波的背面的反射，得到高分辨率的超聲波診斷圖像，在基板上設置空洞、夾著上述空洞的絕緣層、夾著上述空洞和絕緣層的上層電極和下層電極來形成超聲波振動元件，隔著低彈性構件在襯墊上保持上述基板，向上述電極之間施加直流電壓和交流電壓，使上述超聲波振動元件振動的超聲波探頭中，將由上述基板和上述低彈性構件構成的機械阻抗和襯墊的音響阻抗設為大致相同的值。
文檔編號A61B8/00GK103069844SQ20118004025
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月19日 優先權日2010年8月20日
發明者吉村保廣, 永田達也, 佐光曉史 申請人:株式會社日立醫療器械