結論

6.1本 研 究 の 総 括

本 研 究 は,高 解 像 イ メ ー ジ ン グ に よ る超 音 波 画 像 診 断 の 適 用 範 囲 拡 大 に 向 け て,一 般 的 に 両 立 が 困 難 で あ る 高 感 度 性 と広 帯 域 性 を 有 す る超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー サ を 実 現 す る こ と を 目 的 と した.本 研 究 の 大 き な 特 徴 は,「 増 幅 機 能 の 追 加 に よ る高 感 度 化 」 と 「ト ラ ン ス デ ュー サ の 構 造 的 工 夫 に よ る広 帯 域 化 」 とい う 異 な る2つ の ア プ ロ ー チ に よ っ て 高 感 度 性 と広 帯 域 性 を 目 指 し た 点 で あ る.本 研 究 の 検 討 は 主 に 後 者 で あ る広 帯 域 化 に 重 点 を 置 い て お り,将 来 的 に トラ ン ス デ ュ ー サ とFETを 直 接 結 合 可 能 な ダ イ ア フ ラ ム 型 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ に 焦 点 を 当 て,従 来 に 比 べ て 相 対 的 に 膜 厚 の 大 き くす る こ と に る 複 雑 な 振 動 を 利 用 して す る こ とで 広 帯 域 特 性 の 実 現 を 目指 し た.

本 研 究 で は,大 き く3つ の 検 討 を 行 っ た.初 期 検 討(検 討1)で は,広 帯 域 化 や そ れ に 伴 う 高 周 波 化 に よ る小 型 化 が ダ イ ア フ ラ ム の 膜 厚 を 相 対 的 に 大 き く し,従 来 設 計 パ ラ メ ー タ と し て 重 要 と さ れ な か っ た 膜 厚 が トラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 に 影 響 を 与 え る と予 想 し,所 望 の 周 波 数 を 共 振 周 波 数 に もつ 異 な る 構 造 を も つ ト ラ ン ス デ ュー サ に つ い て 性 能 の 観 点 か ら 比 較 した.設 計 さ れ た ダ イ ァ フ ラ ム 型 ト ラ ン ス デ ュ ー一サ は5011mの 幅 に 対 し て 膜 厚 が 数 pmで あ り,従 来 に 比 べ て 相 対 的 に膜 厚 の 大 き な ダ イ ア フ ラ ム と な っ た.そ れ らの 特 性 は,

100%以 上 の 比 帯 域 を 有 して い た.検 討1か ら,相 対 的 な 膜 厚 の 大 き さ が ト ラ ン ス デ ュ ー一 サ の 帯 域 幅 に 対 して,重 要 な 設 計 パ ラ メ ー タ と な る こ とが 予 想 さ れ た.

第2検 討(検 討IDで は,検 討1で の 予 想 を 元 に,膜 厚 と広 帯 域 特 性 の 関 係 を 詳 細 に 調 査 した.相 対 的 に膜 厚 の 大 き な ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ の 場 合,そ の 振 動 は 従 来 一 般 的 に 利 用 さ れ て い た 波 動 方 程 式 を 用 い た 解 析 や 共 振 域 に お け る 等 価 回 路 解 析 も適 用 困 難 とな る こ とが 考 え ら れ た.そ こで,ダ イ ア フ ラ ム の 幅 が 一 定 の 条 件 で 膜 厚 を 変 え る こ と

で,感 度 と帯 域 幅 の 膜 厚 依 存 性 を 確 認 し,さ ら に そ の 傾 向 を 任 意 の 周 波 数 域 に 拡 張 す る こ とで 所 望 の 設 計 周 波 数 に 対 して 超 広 帯 域 設 計 手 法 を提 案 した.特 に 重 要 な 結 果 は,任 意 の 幅 を 有 す る ダ イ ァ フ ラ ム は,帯 域 幅 を 最 大 化 す る 閾 膜 厚 を 必 ず た だ1つ 持 つ こ とで あ る.

さ ら に,周 波 数 の 詳 細 な 解 析 を 行 う こ とで,広 帯 域 特 性 は 膜 振 動 と厚 み 振 動 の 共 在 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ て い る こ とが わ か っ た.広 帯 域 化 に は膜 振 動 と厚 み 振 動 を 適 切 に 共 在 させ

6.1.本 研 究 の 総 括 87

る こ とが 重 要 で あ り,そ の 共 在 の 程 度 は 幅 と膜 厚 で 定 義 さ れ る ア ス ペ ク ト比 に よ っ て 決 定 さ れ る と仮 説 を 立 て た.仮 説 の 検 証 に よ り,帯 域 幅 を 最 大 化 す る幅 と膜 厚 の 関 係 は,お よ そ線 形 な 関 係 に あ り,そ の 近 似 式 を用 い る こ とで 大 規 模 な シ ミ ュ レー シ ョ ン を 用 い る こ と な く所 望 の 設 計 周 波 数 に 対 して ダ イ ア フ ラ ム の 設 計 パ ラ メ ー タ で あ る 幅 と膜 厚 を 設 計 可 能

と な っ た.第3検 討(検 討 皿)で は,検 討1,検 討1で 得 られ た 諸 特 性 が どの よ な メ カ ニ ズ ム で 生 じて い る の か を 調 査 した.結 果 か ら広 帯 域 特 性 を 有 す る ダ イ ア フ ラ ム は 位 置 に よ っ て 異 な る 周 波 数 の 応 力 が 生 じ る た め,結 果 と して 出 力 電 圧 が 広 帯 域 な 特 性 と な っ た.本 検 討 は メ カ ニ ズ ム の 詳 細 な 解 明 に は 至 っ て い な い た め 今 後 更 な る 詳 細 な解 析 が 必 要 で あ る.

本 研 究 に よ っ て 得 られ た 重 要 な 知 見 は,ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ は 相 対 的 な 膜 厚 を 制 御 す る こ とで,膜 振 動 と厚 み 振 動 を 適 切 に 共 在 さ せ る こ とで 広 帯 域 化 可 能 で あ る こ

とで あ る.

6.2,今 後 の 研 究 課 題

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6.2今 後 の 研 究 課 題

本 研 究 は,理 論 解 析 や 実 験 で は 観 測 困 難 な モ デ ル 内 部 の 歪 み や 応 力 の 情 報 を 用 い て 解 析 を行 っ た た め,シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る解 析 を 主 と した.そ の た め,本 研 究 で 得 ら れ た 諸 特 性 を 実 験 的 に確 認 す る必 要 が あ る.実 験 の 際 に は,送 信 回 路 の イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン

グ や 受 信 回 路 の 並 列 化 な どの 工 夫 が 必 要 と な る.

本 研 究 検 討1で は,ア レ イ トラ ン ス デ ュ ー サ の 広 帯 域 化 を 目指 して い た が,検 討llに お け る の 諸 広 帯 域 特 性 は,ダ イ ア フ ラ ム の 幅 と そ の 微 細 加 工 限 界 の 条 件 下 で は グ レー テ ィ ン グ ロ ー一ブ を 発 生 す る.さ ら に,そ の 超 広 帯 域 特 性 に よ り共 振 域 は100MHz帯 域 ま で 高 周 波 化 さ れ た た め,減 衰 の 影 響 に よ っ て 遠 距 離 の イ メ ー ジ ン グ に は 不 向 き で あ る.田 川 研 究 室 で は,以 前 よ り穿 刺 型 超 音 波 顕 微 鏡 の 研 究 が 行 わ れ て い る.穿 刺 型 超 音 波 顕 微 鏡 の 実 用 化 に は,穿 刺 針 先 端 で の 正 確 な 超 音 波 送 受 信 が 必 須 と な り,本 研 究 で 提 案 した ダ イ ア フ ラ

ム 型 ト ラ ン ス デ ュ ー サ を用 い る こ とで 可 能 と言 え る.超 広 帯 域性 に よって ア レイ化 困難 で あ るが,超 音 波 顕 微 鏡 の イ メ ー ジ ン グ対 象 は 悪 性 腫 瘍 な ど の細 胞 レ ベ ル の 微 小 物 体 と な る た め,高 速 な 電 子 走 査 を必 要 と し な い た め,超 小 型 トラ ン ス デ ュ ー サ を機 械 走 査 す る こ と で 穿 刺 型 超 音 波 顕 微 鏡 用 超 高 解 像 イ メ ー ジ ン グ可 能 で あ り,そ の 信 号 処 理 手 法 も研 究 さ れ て い る.さ ら に ア レ イ 化 した 場 合 で も,グ レ ー テ ィ ン グ ロ ー ブ を 低 減 す る信 号 処 理 手 法 も 提 案 さ れ て お り,そ れ ら を 用 い る こ とで 超 広 帯 域 ア レ イ ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 実 現 も可 能 で

あ る と言 え る.

本 研 究 で は,主 に,広 帯 域 化 に 焦 点 を 当 て た が,そ の 問 題 点 は 感 度 の 低 下 に あ る.シ ミ ュ レー シ ョ ン結 果 か ら も本 研 究 で 扱 っ た ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ は 従 来 に 比 べ て 広 帯 域 な 一 方,現 在 一 般 的 な バ ル ク型 トラ ン ス デ ュ ー サ よ り大 幅 に 感 度 が 劣 っ て い る.

そ こで,高 感 度 化 手 法PZT‑FETを 応 用 す る こ とで,感 度 の 改 善 が 期 待 で き る.PZT‑FET は,ト ラ ン ス デ ュ ー サ とFETを 直 接 結 合 す る こ とで 圧 電 電 荷 が 直 接,半 導 体 を 制 御 す る

もの で あ り,そ の 高 感 度 性 は実 験 的 に確 認 さ れ て い る.pMUTは 半 導 体 プ ロ セ ス に よ っ て 製 作 さ れ る た め トラ ン ス デ ュ ー サ に 半 導 体 機 能 を 追 加 で き,さ ら に 一 体 化 も可 能 で あ る.

トラ ン ス デ ュ ー サ とFETを 一 体 化 す る こ と で,本 研 究 の 超 広 帯 域 特 性 を 損 失 な く利 用 で き,広 帯 域 化 に よ る低 感 度 化 も 改 善 で き る.

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付 録A 参考及び追加 データ

A.1検 討1

A.1.1入 力 パ ル ス に対 す る 特 性

図A.1は,model1(50pm‑width,2.Opm‑thicknessのPZT層,5.2pm‑thi￠knessのSi

層)の 出 力 電 圧,出 力 電 荷,そ の と き の 受 信 振 動 を 示 して い る.設 計 周 波 数 で あ る20MHz の と き の 値 を そ れ ぞ れOdBと して 描 画 して い る.本 文 で 記 述 の 通 り,ア レ イ 化 を 想 定 し た 場 合,グ レ ー テ ィ ン グ を 発 生 しい な い 周 波 数 帯 は30MHz以 下 と な る.そ こで,表A.1 の よ う に 周 波 数 帯 域 を定 義 し た.周 波 数 帯1は,電 荷 の 受 信 域,周 波 数 帯1[[は 共 振 域 を ま た い だ 帯 域,周 波 数 帯 皿 は,電 圧 の 受 信 域 と して い る.送 信 域 は,周 波 数 に 対 して 増 加 傾 向 な の で,ど の 受 信 域 が 感 度 良 く,き れ い な 位 相 で 送 受 信 で き る か を 調 査 した.

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