專利名稱：機電換能器裝置和分析物信息獲取設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及機電換能器裝置(代表性地，電容型機電換能器裝置)和分析物信息獲取設備。
背景技術：
用作超聲換能器裝置(也稱為超聲換能器)的機電換能器裝置通過發射和接收作為聲波的超聲波而被用于例如人體內的腫瘤等的診斷設備中。近年來,使用微加工技術的電容型的機電換能器裝置(電容型的微加工超聲換能器，CMUT)正得到積極研究。該CMUT通過使用振動膜發射和接收超聲波。并且，該CMUT具有可發射和接收的超聲波的寬的頻帶(即，CMUT具有寬帶特性)。使用該CMUT并由此具有比過去的醫療診斷形式高的精度的超聲診斷作為有希望的技術正受到關注。一般地，在醫療領域中經常使用利用X射線、超聲波和磁共振成像(MRI)的成像設備。并且，在醫療領域中，關于通過使從諸如激光器之類的光源發射的光傳播到諸如活體之類的分析物內并檢測傳播光而獲得活體內的信息的光學成像設備的研究正積極進展。作為這種光學成像技術中的一種，提出了光聲斷層法(PAT)。PAT是用從光源產生的脈沖光照射分析物、在多個檢測位置處檢測從吸收在分析物內傳播和擴散的光的能量的活體組織產生的聲波(代表性地，超聲波)、分析這些聲波的信號并且將與分析物的內部的光學特性值有關的信息可視化的技術。因此，可以獲得與分析物內部的光學特性值分布有關、更特別地與光學能量吸收密度分布有關的信息。在包含在基板上形成的機電換能器元件的機電換能器裝置(也稱為超聲換能器裝置)中，入射的超聲波的一部分可與被基板的后表面(基板的形成有機電換能器兀件的表面的相對表面)反射的反射波干涉，并且產生噪聲。過去在一定程度上認識了該噪聲問題。即使通過現有技術，只要使用具有幾兆赫或更高(例如，2 3MHz或更高)的高頻區域的機電換能器元件，可導致噪聲的頻率就較高并且可能衰減。由此，可通過在基板的后表面上設置聲學衰減部件來在一定程度上解決噪聲問題。對于像PTL I那樣的在基板內共振的頻率，可通過使聲學衰減部件的聲學阻抗與基板的聲學阻抗匹配來在一定程度上減少噪聲。但是，在CMUT的情況下，由于頻帶較寬，因此，頻帶可包含具有低于2MHz的頻率的超聲波。具有低于2MHz的頻率的超聲波幾乎不被衰減，并且容易通過基板。由此，現有技術的措施只具有有限的效果。圖5示出現有技術的配置。在現有技術(PTL I)的配置中，聲學衰減部件14被設置在基板12的后表面上，并且，通過電氣布線13從基板12的端部獲取電信號。上述的用于上述的超聲診斷的超聲換能器裝置包括在基板的前表面上二維排列(以平面狀排列)的換能器元件。對于具有更高的密度的陣列，換能器裝置具有電連接基板的前表面和后表面并且從基板的后表面引出電氣布線的結構。為了獲取二維排列的機電換能器元件的信號，電氣布線基板必須被設置在基板的后表面上并且電氣布線基板必須與基板電連接。通過該配置，由于基板與電氣布線基板之間的距離較小，因此，基板的后表面上的聲學衰減使得來自基板的后表面和電氣布線基板的反射波影響機電換能器元件并由此使信號噪聲(S/N)比劣化。特別是在具有IMHz或更低的頻帶中，波長較大并且衰減較小。影響變得顯著。并且，為了減少噪聲串擾，存在電氣布線基板或集成電路被布置于基板的后表面上并且電氣布線基板或集成電路與基板的后表面電連接的方法。此時，基板的后表面與電氣布線基板或集成電路之間的距離小至幾百微米。由此，即使現有技術的聲學衰減部件被設置在基板的后表面上，低頻聲波也容易到達電氣布線基板，并且反射波會變為噪聲。PTL 2描述了在電氣布線基板的后表面上形成凹凸以減少反射波。但是，為了衰減具有大于預定值的波長的聲波(具有低于2MHz的頻率的聲波)，需要大的凹凸。同時，電氣布線基板的厚度在制造過程以及焊接和安裝過程中受到限制。引文列表專利文獻PTL I :美國專利 No. 6831394PTL 2 :美國專利 No. 732118
發明內容
本發明通過減少低頻帶中的反射波噪聲來提供與現有技術相比具有更寬的帶和更高的S/N比的機電換能器裝置的配置。根據本發明的一個方面的機電換能器裝置包括第一基板；二維地排列于第一基板的前表面上并被配置為提供聲波與電信號之間的轉換的機電換能器元件；作為與第一基板的后表面電連接的第二基板的電氣布線基板；被設置在第一基板與第二基板之間的第一聲學匹配層；被布置于第二基板的后表面上的聲學衰減部件；和被設置在第二基板與聲學衰減部件之間的第二聲學匹配層。根據本發明的另一方面的分析物信息獲取設備包括根據以上的方面的機電換能器裝置；被配置為發射脈沖光的光源；和被配置為處理由機電換能器裝置檢測的信號的信號處理系統。分析物信息獲取設備用從光源發射的光照射分析物，通過機電換能器裝置檢測作為發射在分析物上的光的光聲效應的結果而產生的聲波，并且通過信號處理系統的處理獲取分析物內部的物理信息。通過本發明的任一個方面，聲學匹配層和聲學衰減部件被設置在基板的后表面上。因此，當使用具有幾兆赫或更低的頻率的超聲波時，可減少通過基板的后表面的反射產生并被施加到布置于基板的前表面上的機電換能器兀件的噪聲。
[圖1A]圖IA是根據本發明的第一到第三實施例中的任一個的超聲換能器裝置的配置圖。[圖1B]圖IB是本發明的第一實施例的比較圖。[圖2]圖2是示出根據本發明的第一實施例的基板的前表面上的聲學阻抗密度的倒數的頻率特性的示圖。[圖3]圖3是根據本發明的第四實施例的超聲換能器裝置的配置圖。[圖4]圖4是根據本發明的第五實施例的超聲診斷設備的配置圖。
[圖5]圖5是現有技術的配置圖。
具體實施例方式第一實施例 描述根據第一實施例的超聲換能器裝置。圖IA示出根據本實施例的超聲換能器裝置10。在基板I (第一基板)上形成機電換能器兀件2。機電換能器兀件2提供超聲波(聲波)與電信號之間的轉換。電氣布線基板3 (第二基板)與基板I的后表面電連接。典型地通過在樹脂上布置金屬布線來形成電氣布線基板3。多個機電換能器元件2被二維排列在基板I的前表面上。機電換能器元件2可以是壓電元件或像PTL 2那樣的膜、空腔以及第一和第二電極形成對向電極的電容型機電換能器元件。鑒于機械性能、電氣性能、可成形性、成本效率等，基板I的材料可以期望地為硅
(Si)。但是，材料不必為硅，并且可以為例如玻璃、石英、GaAs或藍寶石。機電換能器元件2具有至少兩個電氣端子。端子中的至少一個與多個剩余的機電換能器元件2電氣分離。基板I電連接與機電換能器元件2電氣分離的端子和基板I的后表面上的端子。基板I具有例如多個像貫通布線那樣的電連接部分。基板自身可通過絕緣體或溝槽電氣分離，并且，基板可僅沿基板厚度方向允許電氣導通。電連接電氣布線基板3和基板I的導體4可以是例如金屬(諸如焊料或金)的具有低電阻的電阻器。在本實施例中，第一聲學匹配層5被布置于基板I (第一基板)和電氣布線基板3(第二基板)之間，并且，聲學衰減部件7被布置于電氣布線基板3的后側。第一聲學匹配層5具有允許電氣布線基板3透過從基板I進入的超聲波11并限制超聲波11的反射的功能。聲學衰減部件7具有吸收并衰減透過的超聲波11的功能。第二聲學匹配層6被設置為限制聲學衰減部件7與電氣布線基板3之間的超聲波11的反射的結構。通過實施例的配置，可通過減少界面處的反射并通過聲學衰減部件的效果在更寬的頻帶中減少向機電換能器元件2施加的噪聲。以下詳細地描述第一聲學匹配層5、第二聲學匹配層6和聲學衰減部件7。第一聲學匹配層5填充導體4周圍的空間。一般地，導體4的聲學阻抗不與第一聲學匹配層5的聲學阻抗對應。由此，聲學特性根據設置在機電換能器元件2正下方的是第一聲學匹配層5還是導體4而變化。期望減小導體4占據的面積，以使機電換能器元件2的聲學特性均一化。但是，如果導體4的聲學阻抗比基板I的聲學阻抗大，那么向電氣布線基板3透過的超聲波減少，并且，被電氣布線基板3反射的超聲波的向基板I的透過也減少。如果基板I由硅制成并且導體4由典型的無鉛焊料制成，那么以上的關系是適用的。導體4上的向機電換能器元件2的反射波的影響較小。多個導體4至少通過與機電換能器元件2的數量對應的數量被設置在基板I的后表面上以電氣分離二維排列的機電換能器兀件2。由此,基板I與電氣布線基板3之間的空間的不被導體4占據的部分被第一聲學匹配層5填充。第一聲學匹配層5的聲學阻抗被設計為基板I的聲學阻抗與電氣布線基板3的聲學阻抗之間的值。第一聲學匹配層5的材料期望地為被用作底層填料(underfill)(密封劑)的環氧樹脂。但是，當調整聲學阻抗時，可以使用混合有高密度微細顆粒的材料。微細顆粒可以是金屬或化合物。例如，可以使用鎢、氧化鋁、銅或這些金屬中的任一種的化合物；或鉬、鐵或這些金屬中的任一種的化合物。第二聲學匹配層6被設置在電氣布線基板3的后側，并且，聲學衰減部件7被設置在第二聲學匹配層6下面。第二聲學匹配層6具有減少電氣布線基板3的后表面處的聲學反射并允許聲學衰減部件7透過超聲波的作用。第二聲學匹配層6的材料可以是作為電氣布線基板3的材料的環氧樹脂等。但是，應當注意，由于電氣布線基板3的聲學阻抗根據金屬布線的密度而變化，因此，偶爾要求調整第二聲學匹配層6的聲學阻抗。如果需要的話，高密度微細顆粒被混合以調整聲學阻抗。微細顆粒可以是金屬或化合物。例如，可以使用鎢、氧化鋁、銅或這些金屬中的任一種的化合物；或鉬、鐵或這些金屬中的任一種的化合物。聲學衰減部件7具有吸收和衰減超聲波的效果。由此，聲學衰減部件7是粘彈性體，并且，聲學衰減部件7的材料可以為例如環氧樹脂或尿烷樹脂。為了增加聲學衰減部件7的后側的設計自由度，應通過聲學衰減部件7衰減幾乎所有的聲波。為了實現這一點，聲學衰減部件7必須具有約幾毫米或更大的厚度，并且，更大的厚度是更期望的。并且，具有更高的粘度的材料是更期望的。圖2示出基板I的前表面上的聲波入射方向上的聲學阻抗密度的倒數的頻率特性。聲學阻抗密度與從基板I的前表面觀察時的輸入阻抗對應。例如，如果基板I是具有300微米的厚度的硅并且電氣布線基板3是具有I. 6毫米的厚度的玻璃環氧樹脂，那么該示圖示出(I)在基板I與電氣布線基板3之間并且在電氣布線基板3的后側存在具有約I. 5兆瑞利(MegaRayl)的聲學阻抗的液體(例如水)(圖1B)時、(2)在電氣布線基板3的后側以無限厚度設置聲學阻抗與電氣布線基板3相同的部件時以及(3)具有5兆瑞利的聲學阻抗的第一聲學匹配層被設置在基板I與電氣布線基板3之間時的聲學阻抗密度的倒數。電氣布線基板3的一部分通過導體4與基板I連接，并且，基板I與電氣布線基板3之間的距離受到限制。在圖2的示圖中，距離為O. 2毫米。當聲學阻抗的倒數較大時，它代表反射波較大。具有IOMHz或更高的頻率的大的峰值表示通過基板I的共振反射。圖IB示出圖2中的(I)的配置。透過機電換能器元件2的超聲波11作為基板I的后表面與液體20之間的界面、液體20與電氣布線基板3之間的界面和電氣布線基板3的下表面處的反射的結果共振，并且向其上存在機電換能器元件2的基板I的前表面傳播。因此，IMHz周圍的頻率的聲學阻抗密度減小，并且變為導致大的反射噪聲的因素。從圖2發現，通過在電氣布線基板3的后表面處的聲學阻抗的匹配，IMHz周圍的反射波減小。但是，在IMHz周圍存在具有大的反射波的頻帶(圖2中的(2))。關于具有第一聲學匹配層5的(3)，發現，IMHz周圍的峰值降低，并且，通過第一聲學匹配層5和聲學衰減部件7減少低頻區域中的反射波。如圖IA中的超聲波11的傳播狀態所示，這代表透過各層的超聲波11被聲學衰減部件7吸收和衰減。第二實施例描述根據第二實施例的超聲換能器裝置。本實施例的配置與圖IA所示的配置相同。對于從機電換能器元件2發射的超聲波的中心頻率，當第一聲學匹配層5具有作為透過第一聲學匹配層5內部的超聲波的波長的1/4的厚度時并且當第一聲學匹配層5的聲學阻抗為第一基板I的聲學阻抗和電氣布線基板3的聲學阻抗的幾何平均值時,超聲波的透過率變得最大。如果存在具有最不應被反射(或應被衰減)的頻率的超聲波，那么第一聲學匹配層5的厚度可以為該超聲波的波長的1/4。特別地，如果要接收的超聲波的頻帶是寬帶，那么結果得到大的反射的頻率是經受基板I的共振反射的頻率。圖2中的示圖中的(4)代表這種情況。關于(4)，發現，具有作為共振頻率的15MHz的峰值進一步降低。假定Zs是基板I的聲學阻抗、Zm是第一聲學匹配層5的聲學阻抗并且Ze是電氣布線基板3的聲學阻抗。當L是第一聲學匹配層5的厚度并且k是超聲波的波數時，包含基板I、第一聲學匹配層5和電氣布線基板3的三層結構處的超聲波的反射率R被表達如下。
Γ3 ·Γψ
Zm -Zs
變為O
Γ
K
/in + / 卜
Zin = Zm
Ze +jZm Iankf.
Zm + jZetankL
B
當kL為p/2時，S卩，當L是波長的1/4時，R變得最小。并且，在以下的情況下，R并且透過所有的波。
ryIry rr r r-f λ\
/ 議=*4IM · /,6(= Li))
當反射率為10%或更低并且第一聲學匹配層的聲學阻抗的容限(tolerance)在ZO的約5%內時，厚度L的容限在作為波長的1/4的厚度的約6%內。由于反射率R與到機電換能器元件2的噪聲之間的關系影響結構，因此，不能簡單地確定反射率R。但是，在實施例中，反射率R處于10%或更低的范圍內。第三實施例描述根據第三實施例的超聲換能器裝置。本實施例的配置與圖IA所示的配置類似。第一聲學匹配層5的聲學阻抗在厚度方向上具有梯度。在基板I與電氣布線基板3之間的界面處提供阻抗匹配。因此，不管第一聲學匹配層5的厚度如何，都可減少反射波。在實施例中，提供聲學阻抗匹配代表其中界面處的反射率為10%或更低的情況。如果形成界面的兩種物質的聲學阻抗相同，那么反射率變為零。反射率為10%或更低的情況是其中界面處的兩種物質的聲學阻抗之間的差值為約18%或更低的情況。通過將高密度顆粒混入樹脂中來制造根據本實施例的第一聲學匹配層5的材料。通過沿厚度方向改變顆粒密度分布，聲學阻抗沿厚度方向具有梯度。第四實施例描述根據第四實施例的超聲換能器裝置。圖3示出本實施例的配置。在本實施例中，第一或第三實施例中的第二聲學匹配層6和聲學衰減部件7被集成(其中第二聲學匹配
7層6也用作聲學衰減部件7的結構)，并且被形成為聲學匹配和衰減部件9。此時，期望地在 聲學匹配和衰減部件9與電氣布線基板3之間提供聲學阻抗匹配。這里，提供聲學阻抗匹配代表反射率為10%或更低的情況。如果形成界面的兩種物質的聲學阻抗相同，那么反射率變為零。反射率為10%或更低的情況是其中界面處的兩種物質的聲學阻抗之間的差值為約18%或更低的情況。聲學匹配和衰減部件9的材料可以是粘彈性體，諸如包含用于聲學阻抗調整的高密度微細顆粒的尿烷樹脂。微細顆粒可以是金屬或化合物。例如，可以使用鎢、氧化鋁、銅或這些金屬中的任一種的化合物；或鉬、鐵或這些金屬中的任一種的化合物。第五實施例描述根據第五實施例的分析物信息獲取設備。圖4示出本實施例的配置。當從光源40發射的光41發射在分析物42中的光吸收體46上時,產生稱為光聲波的超聲波43。雖然超聲波43的頻率根據光吸收體46的物質和固體的尺寸而變化，但是，當假定一定的變化帶時，頻率處于約300kHz IOMHz的范圍內。超聲波43通過對于超聲波43提供良好的傳播的液體47，并且，超聲換能器裝置10檢測超聲波43。具有放大的電流和電壓的信號通過信號線44被傳送到信號處理系統45。信號處理系統45處理檢測的信號并且提取分析物信息。雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限于公開的示例性實施例。以下的權利要求的范圍應被賦予最寬的解釋以包含所有的這種變更方式以及等同的結構和功能。本申請要求在2010年6月7日提交的日本專利申請No. 2010-130295的優先權，在此通過參考弓I入其全部內容。
附圖標記列表
I基板
2機電換能器元件
3電氣布線基板
4導體
5第一聲學匹配層
6第二聲學匹配層
7聲學衰減部件
9聲學匹配和衰減部件
10超聲換能器裝置
11超聲波
權利要求
1.一種機電換能器裝置，包括 第一基板； 機電換能器元件，被二維地排列在第一基板的前表面上并被配置為提供聲波與電信號之間的轉換； 電氣布線基板，所述電氣布線基板為與第一基板的后表面電連接的第二基板； 第一聲學匹配層，被設置在第一基板與第二基板之間； 聲學衰減部件，被布置于第二基板的后表面上；和 第二聲學匹配層，被設置在第二基板與聲學衰減部件之間。
2.根據權利要求I的機電換能器裝置，其中，機電換能器元件包含電容型機電換能器元件，所述電容型機電換能器元件具有振動膜、被布置于振動膜上的第一電極、以及被布置于如下位置處的第二電極，在所述位置處第二電極面向第一電極并且第二電極與第一電極之間布置有間隙。
3.根據權利要求I或2的機電換能器裝置，其中，第一聲學匹配層的聲學阻抗比第一基板的聲學阻抗小并且比第二基板的聲學阻抗大。
4.根據權利要求I 3中的任一項的機電換能器裝置，其中，對于從機電換能器元件發射的聲波的中心頻率的波長，第一聲學匹配層具有作為第一聲學匹配層中的聲波的波長的1/4的厚度，并且，第一聲學匹配層的聲學阻抗是第一基板的聲學阻抗與第二基板的聲學阻抗的幾何平均值。
5.根據權利要求I 3中的任一項的機電換能器裝置，其中，對于在第一基板的厚度方向上共振的聲波的共振頻率的波長，第一聲學匹配層具有作為第一聲學匹配層中的聲波的波長的1/4的厚度，并且，第一聲學匹配層的聲學阻抗是第一基板的聲學阻抗與第二基板的聲學阻抗的幾何平均值。
6.根據權利要求I 3中的任一項的機電換能器裝置， 其中，第一聲學匹配層的聲學阻抗和第二聲學匹配層的聲學阻抗中的至少一個在厚度方向上具有梯度，并且， 其中聲學阻抗在由第一基板、第二基板、第一聲學匹配層和第二聲學匹配層形成的界面中的每一個界面處彼此對應。
7.根據權利要求I 5中的任一項的機電換能器裝置， 其中，聲學衰減部件的聲學阻抗與第二基板的聲學阻抗對應，并且， 其中聲學衰減部件與第二聲學匹配層一體化地形成。
8.—種分析物信息獲取設備,包括 根據權利要求I 7中的任一項的機電換能器裝置； 光源，被配置為發射脈沖光；和 信號處理系統，被配置為處理由機電換能器裝置檢測的信號， 其中，分析物信息獲取設備用從光源發射的光照射分析物，通過機電換能器裝置檢測作為發射在分析物上的光的光聲效應的結果而產生的聲波，并且通過信號處理系統的處理獲取分析物內部的物理信息。
全文摘要
為了提出具有高的S/N比的機電換能器裝置，一種機電換能器裝置包括第一基板；二維地排列于第一基板的前表面上并被配置為提供聲波與電信號之間的轉換的機電換能器元件；作為與第一基板的后表面電連接的第二基板的電氣布線基板；被設置在第一基板與第二基板之間的第一聲學匹配層；被布置于第二基板的后表面上的聲學衰減部件；和被設置在第二基板與聲學衰減部件之間的第二聲學匹配層。
文檔編號B06B1/06GK102933319SQ201180027518
公開日2013年2月13日 申請日期2011年6月2日 優先權日2010年6月7日
發明者秋山貴弘, 張建六 申請人:佳能株式會社