专利名称：超声波探针和使用超声波探针的超声波摄像装置的制作方法在现有的超声波探针的振子的材料中使用电压元件。近年来，采用在半导体元件中形成超声波探针的振子的CMUT芯片。CMUT芯片与电压元件相比振子的声-电变换效率低，因此CMUT芯片具有比电压元件容易引发多重反射的技术课题。所谓多重反射是指将被检测体中的组织的界面等作为反射面，由于反射面重复出现超声波的反射的现象，而在超声波探针的测量范围内出现不存在的构造物的伪像的现 象。因此，在专利文献中记载了为了解决具有CMUT芯片的振子的多重反射的问题而通过满足下面的第一条件和第二条件来降低振子的每一个信道的多重反射。首先，第一条件是在将声透镜的吸收系数设为a [dB/mm/MHz]、将声透镜的最大厚度设为d [mm]，将振子的中心频率设为fc[MHz]时，满足6. 5/fc < ad的条件。然后，第二条件是将振子的每一信道的阻抗值设为L[H]，将振子的每一个信道的静电电容设为C[pF]，将振子的中心频率设为fc[MHz]，满足L< I/ ((3 Jifc) 2XC)的条件。现有技术文献专利文献专利文献I :国际公开W02009/069281号公报专利文献2 :美国专利第6831394号公报专利文献3 :美国专利第6714484号公报
发明要解决的问题上述专利文献I是由通过反射波而向被检测体再发送的作用而引起的多重反射的对策技术，其中该反射波是由于声透镜和振子的声阻抗的不匹配而在声透镜和振子的边界面产生的反射波。因此，在专利文献I中，并没有说明由于振子和衬里(packing)层的声阻抗的不匹配而在振子和衬里层的边界面产生的反射波到达被检测体而产生的多重反射。因此，本发明的目的在于提供一种超声波探针和使用该超声波探针的超声波诊断装置，其能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射的影响。用于解决课题的手段为了达成上述目的，本发明的超声波探针是对声透镜、振子和衬里层进行层叠的构造的朝超声波探针，所述振子具有CMUT芯片，所述衬里层由与所述声透镜的声阻抗实质上相同值的材料形成。首先，将从振子向声透镜层侧(存在被检测体一侧)的方向定义为第一方向，将从振子向衬里层侧(存在被检测体一侧的相反侧)的方向定义为第二方向。衬里层由与声透镜实质上相同的声阻抗的材料形成，是指声阻抗的变化量与第一方向和第二方向相同，因此反射波的声能在第一方向和第二方向上被分配为相同比率。因此，反射波在振子和衬里层的边界面，成为只有所分配的一部分反射波的声能向第二方向传播的构造，能够抑制振子和衬里层的边界面引起的多重反射的发生。发明的效果根据本发明，能够起到以下的效果，即提供一种超声波探针和使用该超声波探针的超声波摄像装置，能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射 的影响。图I是表示采用本发明的超声波摄像装置的概要结构的图。图2是表示在超声波探针的振子中使用了多个CMUT芯片的线性的超声波探针的构造例的图。图3表示振子11-f ΙΙ-m的俯视图。图4是构成图2的振子11-1等的CMUT芯片的截面图。图5是一个信道的超声波探针的截面图。图6是说明使用了图5的模型的多重反射的原理的图。图7是表示振子11-1和衬里层12的边界的频率-超声波反射率的特性曲线的图。图8是表示将振子11-1的厚度设为50 μ m时的频率反射率特性曲线的图。图9是表示将振子11-1的厚度设为25 μ m时的频率反射率特性曲线的图。图10是表示将振子11-1的厚度设为10 μ m时的频率反射率特性曲线的图。图11是表示将衬里层12的声阻抗设为I. 4MRayl时连续计算相对于频率的反射率的结果的一例的图。图12是表不将振子11-1的厚度设为5 μ m时,相对于将横轴设为频率而使衬里层12的声阻抗值变化时的超声波反射率的计算结果的图。图13是设置了粘接层131的一个信道的超声波探针的截面图。图14是表示在使振子11-1和衬里层12间的粘接层131的厚度和振子11_1的超声波的中心频率变化的情况下，振子11-1的超声波反射率mr的图。图15是表示将粘接层131做成厚度5 μ m的情况下,连续计算相对于频率的反射率的例子的图。
超声波诊断装置的概要结构，图I是表示采用了本发明的超声波诊断装置的概要结构的图。
超声波诊断装置具有超声波探针I、信号发送部2、信号接收部3、整相加法部4、图像处理部5、图像显示部6、输入部7以及控制部8。检测者使超声波探针I与存在被检测体的摄像部位的表面抵接，向摄影部位发送超声波，接收来自发送的摄影部位的反射波，变换为被称为反射回波信号的电信号。信号发送部2针对电连接的超声波探针1，在超声波发送的定时向被检测体发送与存在于摄影部位的深度对焦的超声波。信号接收部3在超声波接收的定时从超声波探针I接收反射信号，进行包含信号放大、模数转换的信号处理。整相加法部4对通过信号接收部3进行信号处理的反射回波信号进行整相相加。图像处理部5从在整相加法部4中进行整相相加的反射回波信息向超声波图像变换。 图像显示部6在图像处理部5中显示变换后的超声波图像。输入部7输入检测者为了变换超声波图像所需要的摄像部位或所使用的超声波探针的信息。控制部8根据输入到输入部7的信息进行以下的控制。(I)以预定间隔重复超声波的发送和接收的定时的控制。(2)使信号发送部2在发送定时向被检测体发送超声波的控制。(3)使信号接收部3在接收定时对反射回波信息进行信号处理的控制。(4)使整相加法部4对反射回波信号进行整相相加的控制。(5)将图像处理部5从整相相加后的反射回波信息变换为超声波图像的控制。(6)使图像显示部6显示超声波图像的控制。然后，使用图2 图4说明超声波探针I的结构的一个例子。图2是表示在超声波探针的振子中使用了多个CMUT芯片的线性型的超声波探针的构造例的图，图3是振子11-f ΙΙ-m的俯视图，图4是构成图2的振子11_1等的CMUT芯片18的截面图。超声波探针I具有排列了 m个长方形的振子11-f 11-m (m :例如为64或192等的自然数)的一维阵列的构造，在振子11-fll-m的背面配置了衬里层12。此外，在振子11-f 11-m的超声波发送侧(图2的上方)配置了声透镜14。振子ll_f ll_m将发送波电信号变换为超声波后向生物体内发送超声波，同时接收在生物体内反射的超声波，变换为电信号，形成反射信号。为了吸收在振子11-fll-m的背面侧发送的无用的超声波，并抑制振子11-Γ11-Π1的不必要的振动而配置了衬里层12。声透镜14在与振子11-f ΙΙ-m的排列方向垂直的所谓的短轴方向聚集超声波束。在此，振子11-f ΙΙ-m如图3所示，分别由多个例如六边形的微小的CMUT芯片18构成。(此外，在图3中考虑了图示的情况下仅记载了振子11-3 11-5的3个元件)。各CMUT芯片18如使用图4后述的那样，电气地被看做电容器，但是，对于分别构成振子11-f 11-m的CMUT芯片18的组，上部电极18a彼此通过配线18g连接，下部电极18b成为公共电极，因此，多个并列的电容器电气地进行相同的动作。使用图4来说明一个CMUT芯片18的构造。CMUT芯片18通过半导体工艺的精细加工技术来形成，具备作为硅等的半导体基板的基板18d、在绝缘膜18d的上部配置的半导体薄膜18f以及在其上面配置的上部电极18a。在半导体薄膜18f和下部电极18b之间，设置了通过刻蚀绝缘体膜18d而形成的真空(或者预定的气压)的空孔18e。由化合物半导体等形成的半导体薄膜18f通过绝缘膜18d来支承边缘，正如乐器的鼓那样成为在空间漂浮展开的形状。在上部、下部电极18a、18b之间施加DC偏置电压时，产生库伦力，半导体薄膜18f发生适度的张力。在超声波发送时，如果在DC偏置电压上重叠地向上部、下部电极18a、18b之间施加驱动交流信号，则与接连击打乐器的鼓而发出的声音一样，从CMUT芯片18发生超声波。此外，在超声波接收时，如果向该CMUT芯片18入射超声波，则电极18a、18b间的距离与其大小和波形成正比地变化，因此，两电极18a、18b构成的电容器的静电电容与其对应地变化。根据两电极18a、18b的电信号检测静电电容的变化，由此能够接收超声波。如图3所示，振子11-fll-m分别是将多个CMUT芯片18并联配置的结构，因此，能够从多个CMUT芯片18同时产生超声波信号并向生物体内发送，或者由多个CMUT芯片18同时接收来形成反射信号。图5是在m个振子11-f ΙΙ-m中，振子11_1的部分，即I个信道的超声波探针的
截面图。振子11-1在附图上方形成声透镜14，在附图下方形成衬里层12。挠性基板51从衬里层12的上面周边向侧面设置，施加用于驱动CMUT芯片18的偏置电压和驱动电压。金属线52通过振子11-1的上部电极以及下部电极与挠性基板51连接。探针盖53被设置在探针的侧面，因此成为超声波探针的检测者的握持部。图6是使用图5的模型说明多重反射的原理的图。超声波探针与声透镜14抵接对被检测体拍摄超声波图像。在图6中，为了简化而省略了被检测体的图示。首先，超声波诊断装置的控制部8使超声波探针I向被检测体发送超声波。超声波探针接收来自被检测体的反射回波信号60。然后，反射回波信号60的一部分通过基于振子11的声-电变换而变换为电信号，进而电信号经由信号处理被变换为超声波图像。但是，将反射回波60的一部分作为再发送波61向被检测体再发送。再发送波61从被检测体再次反射作为多重反射回波到达声透镜14的表面。然后，关于多重反射回波62说明在振子11-1和衬里层12不同的声阻抗的边界的现象。反射回波信号60的一部分成为向衬里层12侧的透射波63，被衬里层12吸收。进而，多重反射回波62的一部分由于振子11-1与衬里层12的声阻抗的不匹配而作为反射波63被反射。反射波64与由于振子11-1的声阻抗的不匹配而产生的反射波65合成,产生再发送波61。并且，振子11-1的CMUT芯片18具有空孔18e，因此，CMUT芯片18的空孔18e发挥从衬里层12到声透镜14的声能的传输路的作用。因此，来自具有CMUT芯片18的振子11_1和衬里层12的边界的反射波64与具有压电元件的振子相比能够产生大的影响，因此，在使用了 CMUT芯片18振子11-1中，对于来自振子11-1和衬里层12的边界的反射波需要更好的对策。
然后，使用公式说明图6的原理。多重反射回波62相对于反射回波60的振幅比可以用公式(I)表示为反射率R与声透镜的音响衰减率α的平方以下。反射率R是用被衬里层12吸收的信号63的成分和振子11-1与衬里层的12边界处的反射波64的信号的成分的和除反射波64的信号的成分而得的值。[公式I]多重反射回波振幅/反射回波振幅彡Ra 2(I)此外，根据超声波诊断装置的经验法则，一般来说，在超声波诊断装置中，如果反射波回波60与多重反射回波62的振幅比的分贝值为-20dB以下，则不会出现对超声波图像的影响。因此，考虑多重反射回波62的减轻，如果将公式(I)变形为对数形式，则成为公式(2)那样。 [公式2]20Log1(l(Ra 2)彡-20(2)进而，如果将公式(2)的对数展开，则成为公式(3)。[公式3]20Log10R+2 · 20Log10 a ^ -20(3)在此，在将变换为分贝值的声透镜14的衰减率设为β [dB · MHz/mm]，声透镜14的厚度为d[mm]，探针的中心频率设为fc [MHz]时，如果利用音响衰减率a的分贝换算值20Log10 a表现为-β dfc，将公式(3)进行变形，则成为公式(4)。[公式4]20Log10R-2 β dfc ^ -20(4)进而，如果将公式(4)变换为指数函数则成为公式(5)。[公式5] R <10 10(5)因此，从超声波探针的声透镜14的外观上的反射率R如果满足公式(5)那样进行设定，则能够减轻多重反射伪像的影响。此外，如果将反射率R的最大值设为Rmax，则用如下的公式(6)来表示Rmax。[公式6]
严fc-m、
R H13X — 10(6)此外，在2 11ΜΗζ的范围内设定超声波探针的中心频率fc。声透镜的厚度d通常约为O. 5^1. 2mm。此外，在频率高的用途使用的超声波探针中，需要抑制声透镜衰减的影响，因此，通常将声透镜的厚度设为薄于O. 5^0. 8_。声透镜的材料主要使用硅胶等，音响衰减率 β 为 IdB · MHz/mm。在以上的数值范围中，计算满足公式(6)的反射率的最大值Rmax。满足公式(6)是指不使多重反射伪像产生影响而将反射率抑制为反射率的最大值Rmax以下。例如，根据中心频率[MHz]以及声透镜的厚度，如表I那样计算反射率的最大值Rmax0
[表 I] 此外，将振子11-1、声透镜14、衬里层12的声阻抗分别设为Zi、Z2、Z3，将振子11的传播常数设为T1，将振子11的厚度设为Cl1，用以下的公式(7)来表示从声透镜侧入射的超声波的反射率mr。
[公式7]然后，说明振子11-1和衬里层12的典型模型的-超声波反射率的特性。图7是表示振子11-1和衬里层12的边界的频率-超声波反射率的特性曲线的图。按下面的条件来计算频率-超声波反射率的特性曲线。振子11-1由包含CMUT芯片18的硅形成。振子11_1的声阻抗、厚度的代表值是19. 7MRayl、200ym。振子11_1的厚度为200 μ m或其以下的理由是为了得到生物体的超声波图像。为了得到超声波图像所需的超声波的中心频率为2 14Mz。此外，声透镜14由硅胶形成。声透镜的声阻抗的代表值是1.4MRayl。并且，衬里层12由金属和树脂的混合物形成。考虑与振子11-1的匹配，如专利文献2、专利文献3中所述那样，将衬里层12的声阻抗的代表值调整为与振子11-1的声阻抗值相同的19. 7MRayl。如图7所示，上述频率-超声波反射率的特性曲线，在表I的中心频率11MHz、中心频率7. 5MHz时为O. 90，在中心频率2MHz时达到O. 80。即在表I的全部中心频率处超过了反射率的最大值Rmax，因此在全部的中心频率处多重反射的影响大。因此，本发明的主体是能够抑制振子11-1与衬里层12的边界的反射率的构造，因此，衬里层12和声透镜14的声阻抗实质上相同。此外，本发明的主题可以说成是下面的各项。(I) 一种对声透镜、振子和衬里层进行层叠的构造的超声波探针，其特征在于所述振子具有CMUT芯片，所述衬里层由与所述声透镜的声阻抗实质上相同的值的材料形成。(2)作为上述(I)中所述的超声波探针，是所述衬里层的声阻抗成为用于抑制超声波的多重反射的值域的超声波探针。(3)作为上述(I)或(2)中所述的超声波探针是在使所述振子的层叠方向的厚度薄于200 μ m的情况下，所述衬里层由与所述声透镜的声阻抗近似的值的材料形成的超声波探针。
(4)作为上述(I) (3)中任一项所述的超声波探针为所述衬里层的声阻抗是与所述声透镜抵接的被检测体的声阻抗的超声波探针。(5)作为上述(I) (3)中任一项所述的超声波探针，是所述声透镜的声阻抗的代表值是I. 4MRayl的超声波探针。(6)作为上述(I) (3)中任一项所述的超声波探针，是所述衬里层的声阻抗是I. Γ9. 4MRayl的超声波探针。(7)作为上述(I) (3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的厚度为50 μ m以下的超声波探针。(8)作为上述(7)所述的超声波探针，是所述衬里层的声阻抗是
3.7MRayf 9. 4MRayl的超声波探针。(9)作为(I广(3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的厚度是25 μ m，所述 衬里层的声阻抗是3. 3MRayf 7. 9Mrayl的超声波探针。(10)作为(I) (3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的厚度是10 μ m以下，所述衬里层的声阻抗是I. IMRayri. 8MRayl的超声波探针。(11)作为(I广(3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的厚度是5μπι以下，所述衬里层的声阻抗是2. OMRayf 9. 4MRayl的超声波探针。(12)作为(I) (3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的材质是硅，所述声透镜的材质是硅胶，所述衬里层的材质是丁基橡胶的超声波探针。(13)作为(I广(3)中任一项所述的超声波探针，是所述振子的厚度是5μπι以下，所述振子和衬里层间的粘接层厚度是10 μ m以下的超声波探针。(14)作为(13)所述的超声波探针，是所述粘接层是芯片粘接膜的超声波探针。(15) 一种超声波摄像装置，其具备对被检测体进行收发超声波的超声波探针；根据通过所述超声波探针得到的信号生成图像的图像生成部；显示所述图像的显示部；以及根据被检测体的测定部位的深度控制所述超声波探针的焦点的控制部，所述超声波摄像装置的特征在于，所述超声波探针是权利要求(I) (14)中任一项所述的超声波探针。以下说明多个实施例。实施例I在实施例I中，说明振子11-1的厚度为50 μ m、25 μ m、10 μ m的情况。振子11_1的厚度说是超声波反射率低于理论上的反射率的最大值的厚度，因此将50 μ m设为振子的厚度的基准值。此外，将相对于基准值成为50%的值设定为25 μ m,同样相对于基准值成为20%的值设定为10 μ m的振子的厚度。图8是表不将振子11-1的厚度设为50 μ m时,相对于横轴为频率,使衬里层12的声阻抗值变化时的超声波反射率的计算结果的图形。图9是图8的将振子11-1的厚度设为25 μ m时的图形，图10是图8的振子11-1的厚度设为25 μ m时的图形。振子11-1的材质是声阻抗为19. 7MRayl的硅，声透镜14的材质是声阻抗为
I.4Mrayl的硅胶。声透镜14是与被检测体抵接的部分，因此，为与被检测体的声阻抗匹配，而设定声透镜14的声阻抗。首先，在将衬里层12的声阻抗设为19. 7MRayl的情况下，如图8所示，反射率大大超过O. 84，即判定为超过了反射率的最大值Rmax。此外，关于图9、图10也表现出同样的倾向。然后，在将衬里层12的声阻抗设为与声透镜14的声阻抗相同的I. 4MRayl的情况下，如图8所示，判定为反射率变低。此外，在图9、图10中也表现出同样的倾向。进而，在公式(6)中满足条件，例如在中心频率IlMHz成为反射率O. 76以下，是指如图9以及图10所示那样为振子11-1的厚度为25 μ m或者10 μ m的情况。在图9中，衬里层12的声阻抗在3. 3MRayf7. 9MRayl的范围内。此外，如图8所示，振子11_1的厚度50 μ m不满足公式(6)的条件。此外，所谓在中心频率7. 5MHz成为反射率O. 79以下，是指在振子11_1的厚度为50 μ m的情况下，衬里层12的声阻抗在3. 7MRayl 9. 4MRayl的范围内。此外，所谓在中心频率2MHz成为反射率O. 17以下，是指在振子11_1的厚度为10 μ m的情况下，衬里层12的声阻抗在I. IMRayri. 8MRayl的范围内。
此外，说明在将衬里层12的声阻抗设为与声透镜14的声阻抗实质上相同的
1.4MRayl的情况下，连续计算反射率相对于频率的结果。图11是表示在将衬里层12的声阻抗设为1.4MRayl的情况下，连续计算反射率相对于频率的结果的一例的图。计算的条件是将振子11-1设为硅，将振子11-1的厚度设为10 μ m，将声透镜14和衬里层12设为硅胶。此外，硅以及硅胶的声阻抗为19. 7以及1.4，单位为1 &71。在此，在假设超声波探针的声透镜的厚度为O. 7mm,中心频率为IlMHz的情况下，反射率的最大值Rmax=O. 50。在计算中,判定为反射率的最大值为O. 48，满足作为多重反射减轻的条件的公式(6)。此外，可以如公式(8)那样定义衬里层12和声透镜14实质上相同的声阻抗。[公式8]( I (声透镜14的声阻抗)-(衬里层12的声阻抗)I ) /振子11-1的声阻抗〈〈I(8)换言之，公式(8)表示用振子11-1的声阻抗除声透镜14的声阻抗和衬里层12的声阻抗的差的绝对值而得的值远远小于I。如上所述，在实施例I中，为了抑制超声波的多重反射，通过由与声透镜相同的声阻抗的材料来形成衬里层12，能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射的影响。此外，为了降低衬里层12和振子11-1的边界的反射率，理想的是将振子11-1的厚度设为小于50 μ m的25 μ m,进一步设为极薄的如10 μ m那样。实施例2在实施例2中，说明振子11-1的厚度为5μπι，衬里层12为丁基橡胶的情况。图12是表不将振子11-1的厚度设为5μηι时,使衬里层12的声阻抗值相对于横轴为频率变化时的超声波反射率的计算结果的图。振子11-1的材质为硅，声透镜14的材质为硅胶，衬里层12的材质为丁基橡胶。硅、硅胶以及丁基橡胶的声阻抗分别是19. 7、I. 4、
2.0，单位为 MRayl。在声透镜的厚度为I. 2mm时探针的中心频率为3MHz的情况下，反射率的最大值Rmax是O. 23。在图12中的计算中，在3MHz时反射率为O. 19，判定为作为多重反射减轻的条件满足公式(6)。
如上所述，在实施例2中，与实施例I 一样，能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射的影响。此外，在实施例2中，将振子11-1的厚度与实施例I比较则又薄了 5μπι。进而，将衬里层12的声阻抗设为实施例I的I. 4倍。但是，通过使振子11-1的厚度变薄，即使衬里层12的声阻抗增加，也能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射的影响。因此，如果使振子11-1的厚度变薄，则能够选择具有衬里层12的声阻抗的容许范围的材质。换言之，在将振子11-1的层叠方向的厚度做的更薄的情况下，衬里层12能够用与声透镜14的声阻抗近似的值的材料来形成。实施例3在实施例3中，说明在振子11-1和衬里层12之间设置粘接层131的情况。图13是设置了粘接层131的一个信道的超声波探针的截面图。粘接层131的材质例如是芯片粘接膜(Die Attach Film)、娃粘接剂、环氧树脂等。如果设粘接层131的传播系数为Z12，粘结层131的厚度为dl2，则从声透镜14侧入射的超声波的反射率mr用下面的公式(9)来表不。[公式9]


本发明提供一种超声波探针，其能够抑制在具有CMUT芯片的振子和衬里层的边界面引起的多重反射的影响。本发明的超声波探针是对声透镜(14)、振子(11-1~11m)和衬里层(12)进行层叠的结构的超声波探针，所述振子(11-1~11m)具有CMUT芯片，所述衬里层(12)由与所述声透镜(14)的声阻抗实质上相同的值的材料形成。