平 成29年 度
首 都 大 学 東 京 審 査 修 士 学 位 論 文
ダ イ ア フ ラ ム の 膜 厚 制 御 に よ る 超 音 波 トラ ンス デ ュ ー サ の
高 感 度 性 と広 帯 域 性 の 両 立 に 関 す る研 究
S七udiesonCompa七ibili七y ofHigh‑SensitivityandWide‑BandCharac七eristics
ofUltrasonicTransducer byCon七rollingDiaphragmThickness
首 都 大学 東京 大 学 院 シ ス テム デザ イ ン研 究 科 情報 通信 シ ス テ ム学 域
16890503 石 黒 裕 也
指 導 教 員 田 川 憲 男 教 授
目 次
第1章 序 論
1.1本 研 究 の 背 景...,,,,,
1.1.13次 元 イ メ ー ジ ン グ へ の 動 向,,...
L1.2超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ 開 発 の 歴 史
1.2本 研 究 の 目 的..,.,...
1.3本 論 文 の 構 成.,...,,,,,.,
第2章 2,1
2.2
nj4Kリ
ウ自n∠り自
第3章 3.1 3,2
1 ..1 ..3
...4
7 .11
準 備12
超 音 波 の 基 礎...,.,,,.,,.,....一 一...12
2.1.1超 音 波 物 理 と 超 音 波 イ メ ー ジ ン グ の 基 礎....,..12
2,1.2圧 電 効 果 と 圧 電 基 本 式...,.,,,,,..15 2.1.3圧 電 定 数,.,,...,.,.,,.,.,...16
超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 基 礎 一+,.,,..,,,.,,18
22.1超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 、,,,,,.,.,..18
222音 響 整 合...,,,,.,,..,...,...19 2.2.3背 面 制 動..,,,,,,,.,.,...20
2.2.4イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ...,.,.,..20
波 動 方 程 式 を 用 い た 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 振 動 解 析,.22
等 価 回 路 を 用 い た 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 解 析 と 設 計..26
先 行 研 究:FET‑BasedUltrasoundReeeiver,...28
所 望 周 波 数 設 計 と 性 能 比 較
研 究 過 程 と 検 討1の 導 入.,.,.,...,....,...
検 討1の 解 析 手 法...,.,.,.,一 一.
32,1シ ミ ュ レ ー タPZFIexに つ い て.,,,,,,,,,,....
3.2.2シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 用 い る ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 構 造 決 定..
3.2.3性 能 評 価 の た め の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 概 要..,.,,.,..
剛■i⊥44凸4占QO333333
3.3同 一 の 共 振 周 波 数 を 持 つ ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 比 較.
3.3,1送 信 特 性 の 評 価 及 び 考 察,.,...,.,., 3.3.2受 信 特 性 の 評 価 及 び 考 察.,.,,,.
3.4検 討1の 小 括
第4章 厚 膜 ダ イ ア フ ラ ム の 特 性 と 超 広 帯 域 設 計 4.1検 討llの 導 入...,,,.,,,...,t,
4.2検 討llの 解 析 手 法,,..
4,3ト ラ ン ス デ ュ ー サ 性 能 の 膜 厚 依 存 性.
4.3,1送 信 特 性 の 膜 厚 依 存 性.,.,,,...., 4.3.2受 信 特 性 の 膜 厚 依 存 性.
4.4超 広 帯 域 設 計 手 法 の 提 案.,,,.,...
4.4.1仮 説+一,,...,..,,.
4.4.2超 広 帯 域 設 計 手 法..., 4.5検 討IIの 小 括.
第5章 厚 膜 ダ イ ア フ ラ ム の 広 帯 域 メ カ ニ ズ ム 5.1検 討 皿 の 導 入,,,,.
5.2検 討mの 解 析 手 法
5.3応 力 分 布 解 析.
5.3,1受 信 振 動 の 解 析...,.,..,,,,,...
5.4検 討 皿 の 小 括,,,.,,...,...
第6章 結 論
6.1本 研 究 の 総 括,,,...
6.2今 後 の 研 究 課 題.,
付 録A参 考 及 び 追 加 デ ー タ
A.1検 討I
A.1.1入 力 パ ル ス に 対 す る 特 性...,,.,,, A.2検 討IL.,
A,2.1受 信 特 性 の 膜 厚 依 存 性,
A3検 討 皿.,
A.3.1受 信 振 動 の 解 析..
囲11‑←‑⊥4⑪り4444 00233111475555567777 R)n6∩V‑←‑pO7.78888 ハ0ρUQO888 99977998889999
iii
謝辞 参考文献
本研究に関する研究業績
111
111
117
iv
図 目 次
1.1
1.2
13
1.4
‑⊥リムリQ4
り自9﹄り白り盈
2,5 2.6 2.7 2.8 2.9
2.10 2,11
Typesofultrasoundtransducers[111(upperlefのbulkultrasoundtrans‑
ducer,(upperrigllt)cMUT[2],[3],and(bottoln)pMUT.̲..,.,,,, Increasingf士equencyaccompanyilユgwideningfrequencybandwidth,arld relationshipbetweenimprov三ngsensitivityandwidellingbandwidth,,...
Spatialresolutiorivsdiagnosabledepthforearlydetectionoftumors.Reprinted withpermissionfrolnreference[4],Copyright2017TheJapanSocietyof AppliedPhysics.̲,,,,,.,,,,,,.,...,,.,,,.,.
Twodifferentapproaches:improvenlentsensitivitybyadding廿mplifica‑
tionfUl1CtiO11,andwide‑bandbyilnprovingtransducerstnlcture...
2
7
8
9
Conceptofultrasollicilllagi119,.,...,,,.,..,...13
Definitionof乱xisillpiezoelectricdirectioll...,..,.,.,.17
Transmissionofultrasound...,..,.,,.、,,.,...,,19
Examplecircuitofimpedancematching(lefの,andequivalentcircuitat resonancepointof七ransducer(rigllt),.,...,..』 』.,,,,21
Coordinatesystem...,..,,,..,.,,,...,22
Natur乱lfrequencyofdiaphragm...,..,,,,,,,....,....25
Equivalentelectricalcircllitfbrtransducers...,,,,,26
Admittancecharacteristics,,.,.,...,,...,,.,,27
StructurefbrdirectcouplingofbulkPZTtogateofMOSFET(PZT‑FET). Copyright2017TheJapanSocietyofAppliedPhy昌ic8,Reprintedwith permis8ionfromreference[4].̲.̲....,...̲,,.,,28
PZT‑FEToutputvs.inputacousticpressure,.,,.'..,,...,29
Frequencych乱racteristicofPZT.FETfortransmittedacousticpressllreof 1000Pa,..,.,.,,,,,,,.,.,,..,,...,..,..,,,30
3,1Studycontentsanditsrelationship,,,...,,,31
V
り盈り04
り0ウUり0
3,5
3,6
3.7 3.8 3.9 3.10
3,11
3.12
3ユ3Vaxriationofoutputvoltagewithinputpres呂ure,
3.14Vatl・i乱tionofoutputelectricchargewithinputpressure̲̲̲̲...
3,15Frequencydependenceofoutputvolt乱ge,..,...,...,..
3.161吐'equencydependenceofoutputelectriccharge...,...
3.17Aspectratiodependenceoffrequellcycharacteri8ticsofoutputvoltage
whenthethicknessofthePZTlayeris2.OpmandthatoftheSiIayer
i84.011nL.、,.,....,、.、....,、,、 、...,...48
3.18Aspectratiodependenceoffrequencych乱racteri呂ticsofoutputelectric
chargewhenthethickllessofthePZTlayeris2.Opm乱ndthatofthe
Silayeris4.OIIrn...,....,.,,.,...,,.,...48
‑⊥り44占4
4.3
Exampleofsourceanddrainelectrodestructure.、̲̲.̲̲..̲.33
Analysismodelforevaluationofmechanicalresonancefrequency...35
FrequencycharacteristicofvibrationfbrvariousthiclくnessofSilaer(thick‑
nessofPZT=2.Opm)...,..̲.̲、..̲..36
Mechanicalresonancefrequencydeterminedf(〕rthicknessofSiandPZT
layers..,...,.,.,,..,,36
Frequencydependenceofvibrationofthreemodelswithmechanicalreso‑
nancefrequencyof20MHz.、̲,,.̲....̲̲̲̲̲̲..38
Electricalcircuitfortransmitting.̲̲̲』...̲...̲.39
Electriealcircuitforreceiving...,...,..̲̲̲̲̲̲.39
Variationoftransmittedsoundpres呂urewitllappliedvoltage...̲..41
Frequencydependencesofoutputpre8sure(toP)乱ndgdisplaeement(bot‑
tonl).,...,・.,.・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ …42
Frequencydiffereneesofvibrationofamplitude(top)andphase(bottom)
fbrmodel1..,.,.,..,.,.,..,...,.,、.,,,43
Frequencydependencesofvibrationofamplitude(top)andphase(bottom)
whenthesizeofmodellisextelldedto10011m.,、,、̲..、..,...44
45
,45
.46
.47
Flowfromre8ultallddiscussionstodesignmethod.,....̲̲..̲52
PZTthicknessdependenceoffrequen.cycharacteristicsofoutputpressure in5011mwidediaphragmof1.OllmthickSilav .er.,̲,.,...̲53 PZTthicknessdependenceoffrequencycharacteristic80fdisplacementin g‑axisdirectionin50pmwidediaphragmof1.OpmthickSilayer,.̲..54
vi
4.4PZTIthicknessdependenceoffrequencycharacteristicsofoutputpre呂sure in50pmwidediaphrag皿of2.OpmthickSilayer,.,.,..̲.,.., 4,5PZTthicknessdependellceoffrequencycharacteristicsofdisplacementill
z‑axisdirectionin50pmwidediaphragmof2.OpmthickSilayer....,
4.6PZTthicknessdependenceoffrequencycharacteエ ・isticsofoutputpressure in5011mwidediapllragmof3、OpmthickSilay ,er...,,,,..,.,,.
4.7PZTthicknessdependenceoffrequencycharacteristicsofdisplacementin 2‑axisdirectionin50111nwidediaphragmof3,0pmthickSila{ゾer...
4.8PZTthicknessdepelldenceoffrequencycharacteristicsofoutputpres呂ure in50pmwidediaphragmof4.OpmthickSilayer...,., 4.9PZTthicknessdependenceoffrequencycharac七eri呂ticsofdisplacementin
かaxisdirectiollin5011mwidedi乱phragmof4.OllmthickSilayer,.,,.
4.10Diaphragmwidthdepen.denceoffrequencycharact,eristicsofoutputpres.
sureindiaphragmof1.OpmthickSilayerand2,0pmthickSilayer,., 4,11Diaphragmwidthdependenceoffrequencycharacteristicsofdisplacement
inz‑axisdirectionilldiaphraginof1.01ユlnthid{SiIa .yerand2.OPmthick Silayer...,,..,,,.,、..,噛,.,,.,...
4.12PZTthicknessdependenceoffrequencycharacteristicsofoutput,voltage in50pmwidediaphragmof1,0pmthickSilayer...,..,, 4.13PZTthicknessdependencesoffrequencyrangeof‑3dBbandwidth(left
blueverticalaxis)and‑3dBbandwidth(rightredvertiealaxis)in50pm widediaphragmwith1、OpmthickSilayer...,...,.,, 4,14Ma[ximu皿receptionsensitivity(leftblueverticalaxis)and‑3dBspecific
bandwidth(rightredverticalaxis)determinedfbrdifferenceinthicknesses ofbothPZTl…1yerandSilayerof5011mwidthdiaphragm,.,..,...
4,15Phasesinfrequencybalndof‑3dBballdwidthin5011m。widthdi乱pllragm of1.Ol,i皿 一thicknessSilayer...,..,...,.,,,.,.、.., 4.16PZTt,hicknessdepelldencesoffrequencycharacteristicsofdisplaeelnentill
z‑axisdirectionatcenterpoilltof50pm‑widthdiaphragmwitha1.Ollm thickSilayer,..,,,...,.,.,.、,,.,.,,,,,,,.,....
,55
,56
56
,57
,57
.58
,59
,60
61
62
63
,64
.65 4.17Frequencywithmaxilnumamount,ofdisplacementofreceivedvibrationand
frequencywithmaximllmreceivingsensitivityof5011mwidediaphragnl withdifferentthicknessesofPZTlayerandSilayer,.,,,,.,.,,,..66
vii
4.18PZT七hicknessdepelldenceoffrequencycharacteristic呂ofoutputvoltage in50pmwidebulkof1.OpmthickSilayer,、,.̲̲̲̲..̲..67
4,19PZTthicknessdependencesoffrequencyrangeof‑3dBbandwidth(left blueverticala、xis)and‑3dBbandwidth(rightredverticalaLxiS)in50pm widebulkwitll1,0111nthickSilayer...̲.̲̲̲.̲68
420Maximumreceptionsensitivity(leftblueverticalaxis)and‑3dBspecific bandwidth(rightredverticalabcis)determinedfordifferenceinthieknesses ofbothPZTlayerandSilayerof50p皿widthdiaphragm.,..̲̲.69
4.21Comparisonofreceptionvoltagetimewavef6rmsofrelativelythickdi‑
aphragnltypetransducerandbulktypetransducer...70 422Maximumreceptionsensitivity(lefもbluever七icalaxis)andspecificband‑
width(rightredverticalaxis)determinedfbrdifferenceinthicknessesof PZTlayer,,,...̲̲.̲̲...̲,.̲̲71
4.23Frequencywith皿aximumamountofdi8placementofreceivedvibration andfrequencywith皿aximumreceivingsensitivity.,̲̲̲̲̲..72 424Proximityoffmandftwhendiaphragmwidthisdifferent.,...73 425Maximumreceptionsensitivity(leftblueverticalaxis)and8pecificband‑
width(rightredverticalaxis)determinedf()rdifferenceindiaphragmwidth andthicknes呂ofPZTlayer...,̲、...,、̲.,.,.̲̲̲74
4.26Relationshipbetweenwid七handthicknesswhenspecificbandwidthismax‑
imized,.,..,.,.,.,,,,.,,.,,,.,,.,.,,...75
4,27RelatiollshipbetweenんandLmaiximizingbandwidth丘)rdesireddesign frequency,,,.,,,,,.,,,,.,...,...76
5.1
2345678955555555
Frequencycharacteri呂ticsofreceivedvoltage(leftblueverticalaxis)and receivingvibr乱tion(rightredverticalaxis>...
Axisde丘nitionusedfbr8tressanalysis,...,...
]Fhrequeneycharaeteristicsofstressin」 き一axisdirectionat9=0,y=0...
Frequencycharacteristicsofstres8in之 一axisdirectionat,zi=0,yニ4pm..
Frequencycharacteristicsofstressillz‑axi8directionat迄=0,y=8pm..
Frequencycharacteristicsofstressillz‑axisdireetionat‑・'=0,y=12pm..
Frequeneych乱racteristicsofstressin」 ご一乱xisdirectionatx=0,y=16pm..
Frequencycharacteristicsofstressinz‑axi呂directionatz=0,yニ20pm..
Frequencycharacteristicsofstre呂sill之.axisdirectionatg=0,yニ24pm,,
901223344788888888
viii
A,1Frequencycharacteristicsofreceivedvoltage,receivedcharge,andreceived vibrationwithreferenceto20MHz,,...,,,.,,...,,,89
A2Transmissionwaveform((Upper)inputvoltagewaveform,(middle)driving vibrationwaveform,alld(lower)transmissionsoundpressurewavefbrm)in
frequencybandI...,,.,.,,...,.,,,...,.91
A,3Receptionwavefdrm((Upper)receivingvibrationwaveform,(middle)re‑
ceivedvoltagewaveform,and(lower)receivedchargewavefbrn1)infre.
quencybandI,、...,,.,.,,,....,.,.,,...,,92
A.4Transmissionwaveform((Upper)inputvoltagewavefbrm,(nユiddle)driving vibrationwaveform,and(lower)transmissionsoundpressurewavefor‑m)irl frequencybandll....,,,.,,,...,,....,.,.,.,....,,93
A.5Receptionwavef6rm((Upper)receivingvibrationwaveform,(middle)re‑
ceivedvoltagewaveform,乱nd(lower)receivedchargewaveform)inffe.
quencybandI[,.,,,...,,.,,.,,...,.,,,94
A・6Transmissionwavef()rm((UPper)illputvoltagewaveform,(nliddle)driving vibrationwaveforll1,and(lower)trans111issionsoundpressurewayefbrm)in frequencyband皿..,,.,,,...,.,,,...,.,95
A.7Receptiollwavefol・ln((Upper)receivillgvibrationwavefbrm,(lniddle)re‑
ceivedvoltagewaveform,and(lower)receivedchargewavefbrm)infre‑
quencybandI[【.,,.,.,,...,.,,.,,...,,,96
A.8PZTthicknessdependenceoffreqllencycharacteristicsofoutputvoltage
in50pmwidediaphragmof2.OpmthickSilayer...,、.,,,,,97
A.9PZTthicknessdependenceoffrequencycharacteristicsofoutputvoltage
irl50pmwidediaphragmof3,0pl11thickSilayer...,.,,,,..98
A,10PZTthicknessdependenceoffreqllencycharacteristicsofoutputvoltage
in50pmwidediaphragmof4.OlllnthickSilayer,,..,...,.,.,98
A.11Frequencycharaeteristicsof呂tressin3‑ax拍directionat,el=‑0.61ユm,y=0.99
A.12Frequencych乱racteristicsofstresBinz‑axisdirectionat2=‑0.6pm,y=
4pm....,,.噛 噛,.噛 噛...、,,...100
A、13Frequencycharacteristicsofstressillβ 一axisdirectionatz=‑0.6pm,y=
8pm..,、 、,,、...,..、.,...100
A.14Frequencychcxracteristicsofstressillg‑axisdirection乱t2=‑0.6pm,yニ
12pm,.、.,,、.̲...,...,.,.,,,,噛.,噛...101
1X
A,15Frequ.encyeharacteristic臼ofstressinx‑alxlisdirectionatz=‑0.6pm,yニ
16111皿...,,.,.、..、...,101
A、16Frequencycharacteristicsofstre呂sinz‑axisdirectionatz=一 α611m,y=
20pn=L...102
A.17Fヤequencycha,racteristicsofstressinz‑axi呂directionatx=‑0.6pm,y=
24p.m,...,.,...,.102
A.18F士equencycharacteristicsofstressin￠‑axisdirectionat之=0.6pm,yニ0,103
A.19Frequen￠ycharacteristicsofstressinz‑axisdirection.atz=0.6pm,y=4pm.103
A20Frequencycharacteri呂ticsofstressin之 一a)〈isdireetionatx=O.6pm,y=8pm.104
A.21Frequencycharacteristicsofstreg.sin之 一axisdirectionatx=0.6pm,y=
1211rn...104
A.22Frequencycharacteristicsofstressinx‑axisdirectionat2f=0,6pm,y=
16pm..̲̲.,.̲...,.、..,̲̲.̲,.̲,...105
A.23Frequencycharacteristicsofstressin之 一乱xisdirectionat2=0.6pm,y=・
20p.m...,,...,.,...,...105
A,24Frequencycharacteristicsofstressing‑axisdirectionatz=0.6pm,yニ
24pm...̲....̲.̲.̲̲、.、,....106
A25Frequencychara君teristicsofstressinz‑axisdirectionatzニ1.8pm,y=0.107
A.26Frequencycharacteristicsofstressinz‑axisdirection乱t之=1.8pm,y=411m.107
A,27Frequencycharacteristicsofstressinx‑axisdirectionatz・=1.8pln,y・=8pm.108
A,28Frequencycharacteristicsofstressin之 一axi8directionatz=0.6p.m,y=
12pm...̲̲.̲̲̲...108
A.29Frequencycharacteristicsofstressinx‑axisdirectionat,El・=1.8pm,yニ
16pm..,̲.,.『,.,.,...,.冒.昏,̲,..、 、..,.̲̲,109
A.30Frequellcyeharacteristicsofstressin之 一axisdirectionat窟=1.8pm,y=
20]」1rn.,...、.,.、.、..昏...,...,...,.,.,....、109
A,31Frequencycharacteristicsofstressin2一 乱xisdirectionatz=1.8Llm,y=
24pm,,..̲̲.̲̲.̲̲̲..̲...̲.̲̲...̲110
表 目 次
11り泊
り09Q
3.3
Physicalpropertiesusedinsiniulations.,,,,,,,...,.,.,34
Thickness(inllm)combinationsofPZTlayerandSilayerhavingresonance
frequeneyof20MHz,,.,.,...,,,,,.,,,.,.37
Evahlationresultsfoエ ・thef1・equencybandwidths,,,,...,.,.,46
A.1Classificationoffrequencybandfol・additionalsimulatioll,.,...,90
1
第1章 序 論
1.1本 研 究 の 背 景
超 音 波 を 用 い た イ メ ー ジ ン グ 技 術 は 医 療 画 像 診 断,非 破 壊 検 査,水 中 探 査 な ど 幅 広 い 分 野 で 利 用 さ れ て い る.特 に,超 音 波 画 像 診 断 は 非 侵 襲 で あ る た め 医 療 の 分 野 に お い て 大 き な 注 目 を 集 め て い る.[5]〜[8]超 音 波 画 像 診 断 法 は,生 体 組 織 に 放 射 さ れ た 超 音 波 が 組 織 を 伝 搬 す る 際 の そ の 音 響 特 性 に 応 じ た 反 射 や 透 過,減 衰 を 生 じ,こ れ ら を 検 出 す る こ とで 生 体 組 織 の 健 常 ・異 常 に 関 す る 情 報 を取 得 す る.超 音 波 画 像 診 断 シ ス テ ム は ト ラ ン ス デ ュ ー サ で 超 音 波 を 送 受 信 し,受 信 さ れ た 信 号 を 信 号 処 理 す る こ とで 画 像 を構 成 す る.
診 断 シ ス テ ム は 大 き くデ バ イ ス の 性 能 改 善 と信 号 処 理 の2つ の 方 法 に よ っ て 高 性 能 化 で き る.デ バ イ ス 開 発 は 主 に トラ ン ス デ ュ ー サ や 受 信 信 号 を 増 幅 す る 増 幅 器 な どの 開 発 で あ り,い か に 良 い 信 号 を トラ ン ス デ ュ ー サ で 取 得 で き る か に 焦 点 を あ て て い る.そ れ に対 し, 信 号 処 理 と は デ バ イ ス で 取 得 さ れ た 信 号 を い か に 効 率 的 に 使 用 す る か に 焦 点 を 当 て て い る.本 研 究 室 で は 以 前 か ら信 号 処 理 の 手 法 か ら シ ス テ ム 全 体 の 性 能 向 上 を 目指 し た き た.
ト ラ ン ス デ ュー サ の 性 能 改 善 は 信 号 処 理 に 比 べ て 診 断 シ ス テ ム 全 体 に対 し て 劇 的 な 高 性 能 化 が 可 能 で あ る.そ こで,高 性 能 な トラ ン ス デ ュ ー サ を 新 た に 開 発 し,従 来 提 案 さ れ た 信 号 処 理 技 術 と組 み 合 わ せ る こ と で 超 音 波 診 断 シ ス テ ム の 性 能 向 上 を 目 指 す.本 研 究 で は, 特 に,高 感 度 か つ 広 帯 域 な 特 性 を 有 す る トラ ン ス デ ュ ー サ の 開 発 を 行 う.
医 療 の 分 野 に お い て,超 音 波 イ メ ー ジ ン グ の 更 な る応 用 を 目 指 して,3次 元 画 像 描 出 や 小 型 化 の 要 求 が 高 ま っ て お り,超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の2次 元 ア レ イ 化 技 術 や 信 号 処 理 回 路 と の 一 体 化 技 術 が 必 要 と さ れ て い る.現 在,医 療 の 現 場 で 使 用 さ て い る超 音 波 ト ラ
ン ス デ ュ ー サ は 主 に 圧 電 性 の 高 いLeadZieronateTitanate(PZT)に 代 表 さ れ る 圧 電 セ ラ ミ ッ クス を 材 料 と して 使 用 して い る.こ れ ら は バ ル クPZTト ラ ン ス デ ュ ー サ と して 使 用 され,そ の 厚 み 振 動 で 超 音 波 を送 受 信 す る.バ ル クPZTの 加 工 限 界 は100pmが 一 般 的 で あ り,微 細 加 工 が 困 難 で あ る.[9]ア レ イ トラ ン ス デ ュ ー サ の 周 波 数 域 の 向 上 に 伴 う微 細 加 工 に 対 応 す る た めMicroElectro‑MechanicalSystem(MEMS[10],[11])技 術 を 使 用 し て 製 作 す る 微 細 加 工 トラ ン ス デ ュ ー サMicromachinedUltrasonicTransducer〔MUT)の 研 究 が 盛 ん に 行 わ れ て き て い る.MUTの 応 用 例 の1つ に 静 電 引 力 で 駆 動 す る 容 量 性 微 細 加 工
1.1.本 研 究 の 背 景 2
超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サCapacitiveMieromachinedUltrasonicTransdu￠er(cMUT)が あ る.cMUTは 可 聴 域 で の コ ン デ ン サ マ イ ク ロ ン や 静 電 ス ピ ー カ と 同一 の 原 理 を 利 用 して い る.[12]cMUTは 集 積 回 路 の プ 「ロセ ス 準 拠 で 作 製 可 能 な た め 小 型 化 が 容 易 で あ る が,低 感 度 性 が 課 題 で あ る.[13/,[14]ま た,cMUTは 大 電 力 放 射 に 高 電 圧 を 印 加 す る 必 要 が あ る た め,穿 刺 型 超 音 波 顕 微 鏡 応用 の よ う に トラ ン ス デ ュ ー サ を 体 内 に挿 入 す る こ と は 困 難 で あ る.[12]現 在,MUT分 野 の 中 で も,圧 電 型 微 細 加 工 超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー一サPiezoelectric MicromachinedUltrasonicTransducer(pMUT)が 特 に 注 目 を集 め て い る.圧 電 薄 膜 は 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス に比 べ て 圧 電 性 が 劣 る が,MEMS技 術 を用 い てSi基 盤 上 にPZTを 成 膜 す る手 法 の 研 究 に よ っ て そ の 圧 電 性 能 は 急 速 に 改 善 さ れ て い る.さ ら に,圧 電 体 を ゲ ー トに 用 い たFieldeffecttransistor(FET)型 圧 力 セ ン サ も提 案 さ れ て,高 感 度 性 も確 認 さ れ て
い る.pMUTはMEMSに よ る 微 細 加 工 を行 う た めFETやThinFilmTransistor(TFT)
に代 表 さ れ る 半 導 体 技 術 を 組 み 合 わ せ る こ とで ト ラ ン ス デ ュー サ が 自 ら効 率 的 に増 幅 を 行 う機 能 を 追 加 す る こ とが 可 能 で あ る.[15]〜[18]図1,1に トラ ン ス デ ュ ー サ の 種 類 を 紹 介 す る.
pMUTは そ の 加 工 法 の 観 点 か ら増 幅 機 能 を 追 加 可 能 で あ り,そ の 高 感 度 性 を よ り効 果 的 に発 揮 す る た め に トラ ン ス デ ュ ー サ の 広 帯 域 化 が 必 要 で あ る.超 音 波 イ メ ー ジ ン グ の 更
Matchinglayer
PiezOeleCtriClayer
Casing BulkT「ansduce「
Electrodes
Electrodes
cMUT PiezOeleCtriClayer
Cavity 顎S「SUめst『ate
pMUT
Va。+Vd。
1nsulation
Vac Sio2
Fig,1.1.Type呂ofultr.asoundtrang,ducers[1]:(upperleft)bulkultricsoundtransducer, (upperright)cMUT[2],[3],and(bottom)pMUT.
図1.1超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 種 類(左 上)バ ル ク 型 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ,(右 上) 容 量 性 微 細 加 工 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ,(下)圧 電 型 微 細 加 工 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ.
1,1,本 研 究 の 背 景 3
なる応用 を 目指 した超小型化 の過 程 にお いて,従 来知 られていな い新 たな特性 を有す る 構造が存在 す る可能性があ り,構 造パ ラメータ依 存性 の確認や構 造最適化 が重要 となっ て いる.
1.1.13次 元 イ メ ー ジ ン グ へ の 動 向
3次 元 イ メ ー ジ ン グ は20年 以 上 に 渡 っ て 医 療 用 超 音 波 の 更 な る応 用 と して 関 心 を 集 め て い る.[5]2次 元 イ メ ー ジ ン グ に よ る 画 像 診 断 は 医 師 の 経 験 に 依 存 す る た め 診 断 の 再 現 性 が 問 題 とな っ て い る.超 音 波 診 断 装 置 は コ ン ピ ュー タ 断 層 撮 影ComputedTbmography
(CT)や 磁 気 共 鳴 画 像MagneticResonanceImaging(MRI)技 術 と比 べ て よ り安 価 で あ り, 速 い 画 像 取 得 が 可 能 で あ る.超 音 波 画 像 は ス ペ ッ ク ル な ど の 音 響 物 理 に 固 有 の 雑 音 源 に
よ っ て 劣 化 す る.リ ア ル タ イ ム3Dイ メ ー ジ ン グ を用 い た 診 断 に は 必 要 な 解 像 度 を 達 成 す る た め こ れ ら の 雑 音 を 低 減 す る 必 要 が あ る.[19]
3Dイ メ ー ジ ン グ の 発 展 が 進 む に つ れ て,リ ア ル3Dタ イ ム イ メ ー ジ ン グ(ま た は4Dイ メ ー ジ ン グ)が 最 終 な 目標 と な っ て い る.商 業 的 に 実 現 可 能 な4Dイ メ ー ジ ン グ の た め に は,一 貫 性 の あ る ス キ ャ ン を,高 解 像 か つ 高 速 に 取 得 し な け ら ば な ら な い.こ れ らの 要 求 は,現 在,ト ラ ン ス デ ュー サ 技 術 に よ っ て 制 限 さ れ て い る.近 い 将 来,超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ が 大 幅 に 進 歩 し な い 限 り,3Dイ メ ー ジ ン グ の 改 善 は 最 終 限 界 に達 し,4Dイ メ ー ジ ン グ は 実 現 不 可 能 とな る.
超 音 波 画 像 は ア レ イ ト ラ ン ス デ ュ ー サ を用 い た 機 械 捜 査 に よ っ て 取 得 可 能 で あ る.機 械 捜 査 を 用 い る場 合,3D画 像 デ ー タ に お け る 第3次 元 方 向 は1Dア レ イ を 正 確 に 掃 引 す る 機i 械 装 置 に よ っ て 取 得 さ れ る.そ の た め,3D画 像 デ ー タ の 取 得 は制 御 上 複 雑 で あ り,取 得 速 度 も機 械 走 査 動 作 の 速 度 に よ っ て 制 限 さ れ る.さ ら に,走 査 動 作 は 撮 影 歪 み を 起 こ し,
イ メ ・一一…ジ ン グ 精 度 を 低 下 さ せ る.[5]2Dア レ イ を 使 用 し た3Dイ メ ー ジ ン グ シ ス テ ム は 掃 引 動 作 が 不 要 な た め,1Dア レ イ ス キ ャ ン で 引 き起 こ さ れ る不 正 確 性 や 制 御 の 複 雑 化 を 排 除 で き る.ま た,2Dア レ イ は 高 速 画 像 取 得 が 可 能 で あ り,そ の 速 度 を 制 限 す る も の は 生 体 の 音 速 の み で あ る.そ の た め,高 速 画 像 取 得 は 患 者 の 診 察 時 間 の 短 縮 を 可 能 に す る.2D
ア レ イ の 使 用 は3Dイ メ ー ジ ン グ に 有 用 的 で あ る が,そ の 実 装 に は 大 き な 課 題 が あ る.従 来,2Dア レ イ ト ラ ン ス デ ュ ー サ が3Dイ メ ー ジ ン グ へ の 主 要 な ア プ ロ ー チ で な か っ た 理
由 は,既 存 の バ ル クPZTト ラ ン ス デ ュ ー サ 技 術 で は,大 規 模 な2Dア レ イ を 製 造 す る こ と が ほ ぼ 不 可 能 で あ っ た こ と や,多 数 の 素 子 を 電 気 的 に 接 続 困 難 で あ る こ とが 挙 げ ら れ る.
[20]
1,1,本 研 究 の 背 景 4
1.1.2超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ 開 発 の 歴 史
1980年 代 の3Dイ メ ー ジ ン グ 開 発 で は,2Dア レ イ の 必 要 性 が 急 速 に 高 ま っ た が,そ の 製 造 は 困 難 で あ っ た.1980年 代 初 頭,ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 改 良 は,主 に 圧 電 セ ラ ミ ッ ク
を 代 替 す る代 替 材 料 の 開 発 に 焦 点 が 当 て られ た.ポ リ フ ッ化 ビ ニ リデ ン(PolyVinylidene DiFluoride,PVDF)は 機 械 的 な イ ン ピ ー ダ ン ス が 低 く,イ ン ピ ー ダ ン ス マ ッ チ ン グ で 大 幅
に 改 善 され る.し か し,容 量 が 小 さ く,寄 生 容 量 が 大 き い た め,結 果 と して 使 用 す る の は 困 難 で あ る.そ の 他 に も,ダ イ シ ン グ を 必 要 と し な い 複 合 材 料 な どが 検 討 さ れ た が,製 造 の 改 善 に も か か わ らず,帯 域 幅 は60%に 制 限 さ れ た(音 響 整 合 層 を 備 え た バ ル クPZTト ラ ン ス デ ュ ー サ と同 程 度).
近 年 の 研 究 は,高 周 波 用 途 の た め のPZT厚 膜 堆 積 技 術 に 移 行 して い る.高 周 波 イ メ ー ジ ン グ は,目,皮 膚,血 管 内 イ メ ー ジ ン グ や 超 音 波 顕 微 鏡 応 用 な ど関 心 が 高 ま っ て い る.
PZT薄 膜 は,バ ル ク型 圧 電 セ ラ ミ ッ ク ス の よ う に 機 能 し な が ら,高 い 周 波 数 で 共 振 す る.
膜 厚 の 大 き なPZT膜 の 製 造 は,圧 電 定 数 お よ び 誘 電 率 を 著 し く低 下 させ る.そ の 改 善 の た め,現 在 も 最 先 端 な研 究 が 行 わ れ て い るが,未 だ,薄 膜 堆 積 と比 較 して 薄 膜 の 品 質 低 下 を も た ら して い る.
お そ ら く,次 世 代 の トラ ン ス デ ュ ー サ 設 計 に お い て 最 も有 望 な 製 造 法 は,微 細 加 工 で あ る.大 量 生 産 で は,微 細 加 工 は 低 コ ス トで あ り,高 分 解 能 イ メ ー ジ ン グ 用 の 小 型 トラ ン ス デ ュ ー サ の 要 求 を 満 た す.さ ら に,こ の ス ケ ー ル で は,全 く新 しい ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 特 性 が 予 想 され,圧 電 材 料 の 特 性 お よ び 堆 積 の 改 善 だ け で な く,そ の 構 造 も考 慮 さ れ な け れ ば な らな い.適 切 な 設 計 に よ っ て,微 細 加 工 トラ ン ス デ ュ ー サ を 大 幅 に 改 善 し,最 終 的 に は 新 し い 高 度 な イ メ ー ジ ン グ 技 術 を 実 現 で き る.[20]
CapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducer(cMUT)[20]
容 量 性 超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー サ は全 く新 しい 考 え で は な く,1950年 代 か ら研 究 さ れ て い る.[21】1990年 代 初 め に,微 細 加 工 の 出 現 に伴 い 容 量 性 超 音 波 ト ラ ン ス デ ュ ー サ が 再 考 され た.当 初,微 細 加 工 は トラ ン ス デ ュ ー サ の 一 部 に の み 適 応 さ れ て い た が,完 全 に微 細 加 工 さ れ た トラ ン ス デ ュ ー サ は1994年 に 導 入 さ れ,現 在 のcMUT研 究 の 基 礎 を 築 い た.
[22],[23]cMUTは,駆 動 と検 出 に 静 電 変 換 機 構 を 使 用 す る.各 トラ ン ス デ ュ ー サ は,空 気 ま た は 真 空 ギ ャッ プ に よ っ て 膜 か ら分 離 さ れ た 導 電 性 バ ッ ク プ レ ー トか らな る.膜 を 金 属 化 す る こ と に よ っ て,電 場 を 生 成 す る ギ ャッ プ を 横 切 っ て 電 荷 を 運 ぶ こ とが で き る.電 場 が 十 分 に 強 い 場 合,静 電 気 力 は膜 の 機 械 的 剛 性 力 を 超 え て ひ ず み を 生 じ る.駆 動 の た め に,電 圧 パ ル ス が 印加 さ れ,膜 が 超 音 波 を媒 体 に 送 る.対 象 物 体 か ら反 射 さ れ る と,パ ル
1.1.本 研 究 の 背 景 5
ス は 同 じcMUTに よ っ て 受 信 さ れ る.こ の 時,膜 に加 え られ る 圧 力 は,ギ ャッ プ の 高 さ を 変 化 さ せ る た わ み を 生 じ さ せ,電 場 が 信 号 を 生 成 す る.幅200pm,長 さ6000pmに 対 応 す る5×150の セ ル の128要 素1次 元cMUTア レ イ 要 素 が …報 告 さ れ て い る.[23]
cMUTは,帯 域 幅,感 度 を 最 大 化 す る よ う に 設 計 した 場 合,そ の 幾 何 学 的 要 因 に よ っ て 制 限 さ れ る.小 半 径,大 膜 厚 で あ る 理 想 的 な パ ラ メ ー タ を 有 す るcMUTは,大 き なDC バ イ ア ス 電 圧 を 必 要 と す る .大 量 の電 力 が 必 要 に な るだ けで な く,DCバ イ ア ス 電 圧 が 高 い と寄 生 容 量 が 大 き く な り,シ ス テ ム を駆 動 す る 際 の エ ネ ル ギ ー 効 率 が 低 下 す る.真 空 ギ ャッ プ を 小 さ くす る こ と は,送 信 モ ー ドで のCMUT膜 の た わ み を 制 限 し,た わ み が 音 響 圧 力 に 直 接 的 に 比 例 す る た め,出 力 圧 力 能 力 が 制 限 さ れ る.[24]す な わ ち,動 作 の た め の 理 想 的 なcMUTは,感 度,信 号 お よ び 出 力 を最 大 に す る た め に,膜 半 径 が 小 さ く,膜 厚 が 大 き く,ギ ャッ プ の 高 さ が 小 さ い 必 要 が あ る.し か し,こ れ ら の 構 造 を 実 現 す る た め に は,大 量 の 電 力 を 必 要 と し,効 率 を 低 下 させ,音 圧 出 力 を 制 限 し,製 造 上 の 課 題 を 招 く.
こ れ に 対 して,pMUTは 同 様 の 制 約 を 受 け ず,よ りエ ネ ル ギ ー 効 率 が 高 く,大 電 力 を 必 要 と しな い.さ ら に,感 度 と エ ネ ル ギ ー 効 率 は バ イ ア ス 電 圧 とは 無 関 係 で あ る た め,pMUT は性 能 を 損 な う こ と な く低 バ イ ア ス で 信 号 を送 受 信 で き る.
Pie劉oelectricMicromachinedUltrasonicTransducer(pMUT)[20]
pMUTは,cMUTの よ うな 幾 何 学 的 な 制 限 を 受 け な い た め,既 存 のcMUTテ ク ノ 「ロ ジ の 有 望 な 代 替 技 術 で あ る.上 述 の 通 り,cMUTは 半 径,膜 厚,バ イ ア ス 電 圧,ギ ャッ プ の 高 さで 構 造 的 に 制 限 さ れ る.pMUT設 計 で は,変 換 に 真 空 ギ ャッ プ が 必 要 で は な く,そ の 結 果,よ り大 き な た わ み が 可 能 で あ り,結 果 と して よ り高 い 潜 在 的 な 音 響 圧 力 出 力 を 得 る こ とが 可 能 で あ る.大 き なDCバ イ ァ ス 電 圧 も駆 動 に 必 要 で は な く,半 径 は 静 電 変 換 に 関 連 す る 要 因 に よ っ て 制 約 さ れ な い.幾 何 学 的 形 状 及 び 必 要 な 電 圧 に 対 す る制 約 が 少 な い た
め,pMUTは,MUTの 能 力 を 向 上 させ る可 能 性 が あ る.
pMUTに お け る 既 存 研 究 は す で に 数 多 く存 在 す る が,い ま だ さ ら な る 改 善 と設 計 革 新 の 余 地 が 残 さ れ て い る.pMUTの 設 計 は,主 にcMUTと 同様 の ダ イ ア フ ラ ム の 構 成 を 基 に して い る.1990年 当 初 のpMUTの 発 表 で は,ダ イ ア フ ラ ム の 周 辺 構 造 に 対 す る 電 気 容 量 損 失 を 減 少 さ せ る こ とが 報 告 さ れ て い る.こ の 初 期 の 研 究 は,ダ イ ア フ ラ ム を 構 成 す る 主 成 分 はPVDF薄 膜 を 用 い て い た.[25]そ の 後 の 発 表 で は,pMUTア レ イ に 焦 点 が 当 て られ た.[26]高 分 子 薄 膜 の 圧 電 定 数 は,圧 電MEMS用 途 で 現 在 一 般 的 に 使 用 さ れ て い る PZT,ZnO,AINの 圧 電 定 数 よ りも は る か に 小 さ い.そ の た め,よ り高 性 能 な材 料 開 発 が 盛 ん に 行 わ れ て き た.
そ の 後 のpMUT研 究 で は,主 に ダ イ ア フ ラ ム 設 計 に 重 点 が 置 か れ,製 造 技 術 と緻 密 な
1.1.本 研 究 の 背 景 6
設 計 適 応 に基 づ い た 改 良 が 行 わ れ て きた.例 え ば,円 形 ダ イ ア フ ラ ム の 場 合,電 極 が ダ イ ア フ ラ ム 半 径 の 約60%と な る と き,駆 動 振 動 が 最 も効 率 的 に な る こ とが 報 告 さ れ て い る.
[27],[28]多 くの 小 型 トラ ン ス デ ュ ー サ 設 計 で は,帯 域 幅 な ど の 性 能 が 製 作 前 の 予 測 か ら大 幅 に 逸 脱 した 一 貫 性 の な い 結 果 が 報 告 さ れ て い る.実 験 に よ て 報 告 さ れ たpMUTの 帯 域 幅 は ・ 既 存 の 市 販 の バ ル ク 圧 電 素 子 よ り も は る か に小 さ い.[29],[30]P.Muraltら は,大
き な 帯 域 幅 が 要 求 さ れ な い ア プ リ ケ ー シ ョ ン で の みpMUTを 使 用 す べ き で あ る こ とを 強 く示 唆 して い る.[271
こ れ ま で のpMUTの 研 究 に お い て,結 合 係 数,帯 域 幅,出 力 音 圧 な ど の 測 定 で は,期 待 値 を 下 回 る結 果 が 多 い.こ れ は一 般 的 に 好 ま し くな い が,新 し い 設 計 理 念 と,デ ー タ 分 析 を 駆 使 す る こ とで 設 計 を 最 適 化 す る 手 段 が 存 在 す る 可 能 性 が あ る.[27],[30],[31}
12.本 研 究 の 目 的 7
1.2本 研 究 の 目 的
医 療 用 超 音 波 診 断 画 像 の 性 能 は,空 間 分 解 能 と診 断 深 度 に よ っ て 決 ま る.医 師 が 超 音 波 画 像 を 用 い て 患 者 を診 断 す る 場 合,よ り小 さ な病 変 を 確 認 可 能 な高 い 空 間 分 解 能 と1度 に 広 範 囲 ま で 診 断 が 可 能 な 広 い 画 像 化 領 域 を 有 す る 画 像 が 必 要 で あ る.空 間 分 解 能 は,よ り 短 い 超 音 波 パ ル ス 波 を 送 受 信 す る こ とで 向 上 す る.こ れ は,よ り広 帯 域 な 信 号 を送 受 信 可 能 な トラ ン ス デ ュ ー サ が 必 要 で あ る こ と を意 味 す る.さ ら に,従 来 よ り広 帯 域 化 させ る 場 合,共 振 域 を 高 周 波 化 す る必 要 も あ る(図L2参 照).す な わ ち,空 間 分 解 能 向 上 は,ト ラ
ン ス デ ュ ー サ の 広 帯 域 化 と そ れ に伴 う共 振 域 の 高 周 波 化 で 実 現 で き る.診 断 深 度 改 善 は, 送 信 効 率 と受 信 感 度 の 改 善 で 実 現 で き る.送 信 効 率 と受 信 感 度 の 改 善 は,よ り遠 方 へ の 超 音 波 の 送 信 を 可 能 と し,よ り遠 方 か らの 反 射 波 を 検 知 可 能 に す る.さ ら に,超 音 波 は,周 波 数 に 依 存 した 減 衰 特 性 を 持 つ.よ り低 周 波 の 超 音 波 を 使 用 す る こ と で,減 衰 を 抑 え る こ
とが で き る.こ れ は 広 範 囲 な セ ン シ ン グ に 必 要 で あ る.共 振 域 の 高 周 波 化 と減 衰 低 減 の 低 周 波 使 用 は 逆 の 関 係 あ る.さ ら に,ト ラ ン ス デ ュー サ や セ ンサ に は 感 度 を 上 げ る と帯 域 が 狭 くな り,帯 域 を 広 げ る と感 度 が 低 下 す る とい う関 係 が あ る(図1.2参 照 〉.こ れ らの こ と か ら,一 般 的 に 高 空 間 分 解 能 と高 診 断 深 度 の 同 時 の 実 現 は 困 難 で あ る.図1,3は 空 間 分 解 能 と診 断 深 度 の 相 反 関 係 を 示 して い る.そ の た め,空 間 分 解 能 と診 断 深 度 を 両 立 す る た め
合lmpr。vement 合Decrement
lmprovingsenStUvlty
∫
WiCteningbandwidth
1ncreasingf resonancefrequency
Fig.1.2.Increasingfrequencyaeeompanyingwidellingfrequencybandwidth,andrela‑
tionshipbetweenimprovingsensitivityandwideningbandwidth.
図1.2周 波 数 帯 域 幅 の 拡 大 に 伴 う 周 波 数 の 増 加,感 度 の 向 上 と 帯 域 幅 の 拡 大 と の 関 係.
12.本 研 究 の 目的 8
o o,1
0、2
冒o、3 ξ,.、
§ α, 乱, 6a,,,
D.8 o.9
o 20 406080
Diagnosabiedepth{mm】
100 120
Fig・1・3・Spatialresolutionvsdiagn⑪sabledepthforearlydetectionoftunユors .Reprinted withpermissionfromreference[4].Copyright2017TheJapanSocietyofAppliedPhysics.
図1.3腫 瘍 の 早 期 検 出 の た め に 必 要 な 空 間 分 解 能 と 診 断 可 能 距 離.文 献 圏 よ り 参 照 の 許 可 を 得 て 転 記.Copyright2017TheJapanSocietyofAppliedPhysics.
の 数 多 くの 研 究 が な さ れ て き た .本 研究 もま た,こ れ らの課題 解 決 を最終 的 な 目標 と して い る.
本 研 究 室 で は,以 前 よ り,ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 性 能 改 善 に 関 す る研 究 が 行 わ れ,そ の 高 感 度 化 手 法 で あ るPZT‑FETが 提 案 され,そ の 高 感 度 性 が 実 験 的 に確 認 され て い る.PZT‑
FETは,ト ラ ン ス デ ュ ー サ(圧 電 層 で あ るPZT)とMOSFETの ゲ ー トを 直 接 接 続 した 構 造 を 持 ち,そ の 直 接 接 続 に よ っ て,圧 電 効 果 で 生 じ た 圧 電 電 荷 が 直 接FETの チ ャ ネ ル を 制 御 す る.圧 電 電 荷 を 用 い た 直 接 駆 動 は 成 功 し,そ の 特 性 は 高 感 度 か つ 高 ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ で あ っ た.し か し,PZTが 本 来 有 す る 帯 域 を 十 分 に 実 現 で き な か っ た .理 由 と して 考 え られ る の は,ト ラ ン ス デ ュー サ とMOSFETの 有 線 結 合 に よ っ て 生 じ る 浮 遊i容量 で あ る.こ の 浮 遊 容 量 を 改 善 す る こ とで,高 効 率 な 増 幅 を 広 帯 域 に行 う こ とが で き る 可 能 性 が あ る.PZT‑FETの 特 性 に つ い て は,2.5節 で 簡 単 に 述 べ る.
本 研 究 は,一 般 に両 立 が 困 難 で あ る高 感 度 性 と広 帯 域 性 を両 立 し た トラ ン ス デ ュー サ の 実 現 を最 終 目標 と して い る.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 構 造 の 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 の 両 立 を 目指 す 点 で あ る(図1.4参 照).前 者 は,先 行 研 究PZT‑FET の 利 点 を 活 か して,ト ラ ン ス デ ュ ー サ とFETを 直 接 結 合 す る こ とで,高 感 度 化 を 目 指 す
12.本 研 究 の 目 的 9
・Ultimateaimiscombinationof
HIGH・SENSITIVITYandWIDE・8AND, 1stidea:
ApplicationofPZT・FET
・Useofhigh‑ser亀si廿vityand hlghdynamicrange eharacteristiCS
・Highampli而catione捕ciencyby devisingelect「odep8髄e「n
lnteq「ationof transducerandFET
脚 齢 噛1
2ndidea=
Newstructuralideas
・lncreasingfドequenoyrangeo「
arraytransducer
・Applicationofp・MUT
Diaphraqmthickness control
Fig.1.4.Twodifferentapproaches:improvementsensitivitybyaddingamplification function,andwide‑bandbyimprovingtransducerstructure.
図1.4「 増 幅 機 能 の 追 加 に よ る 高 感 度 化 」 と 「ト ラ ン ス デ ュ ー サ 構 造 の 工 夫 に よ る 広 帯 域 化 」 と い う 異 な る2つ の ア プ ロ ー チ,
も の で あ る.さ ら に,浮 遊 容 量 の 問 題 を 解 消 す る た め,有 線 に よ る 結 合 で は な く,ト ラ ン ス デ ュー サ とFETの 一 体 化 す る.ト ラ ン ス デ ュ ー サ とFETの 一 体 化 デ バ イ ス は,ト ラ ン ス デ ュ ー サ 自 体 が 増 幅 機 能 を 有 し,そ の 効 率 的 な 増 幅 に よ っ て 高 感 度 性 が 達 成 で き る.そ こで,鍵 と な る の は トラ ン ス デ ュ ー サ とFETの 一 体 化 構 造 で あ る.後 者 は,ト ラ ン ジ ス タ との 一 体 化 の 容 易 な ダ イ ア フ ラ ム 型 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 を 大 き くす る こ とで 生 じ る複 雑 な 振 動 を 利 用 して 広 帯 域 化 す る も の で あ る.近 年,ト ラ ン ス デ ュ ・一 サ の 研 究 に お い て,pMUTと 呼 ば れ る 微 細 加 工 を 用 い て 製 作 さ れ る 超 小 型 トラ ン ス デ ュ ー サ が 注 目 を 集 め て い る.pMUTは,微 細 加 工 のMEMSプ ロ セ ス に 準 拠 す る た め,半 導 体 技 術 の 応 用 が 容 易 で あ り,ト ラ ン ス デ ュ ー サ とFETの 一 体 化 に 非 常 に 向 い て い る.MEMSに よ っ て 製 作 され るpMUTは,一 般 的 に 薄 膜 成 膜 技 術 で あ る た め,ダ イ ア フ ラ ム 型 トラ ン ス デ ュ ー サ と して 用 い られ る.そ こで,本 研 究 で は,将 来 的 に トラ ン ス デ ュ ー一サ とFETを 一 体 化 す る こ とを 考 慮 し,ダ イ ア フ ラ ム 型pMUTに 焦 点 を 当 て る.さ らに,高 感 度 化 は 後 段 の 増 幅 機 能 に よ っ て 実 現 す る た め,ト ラ ン ス デ ュ ー サ 部 分 は た と え 感 度 を 低 下 を 招 い た と して も十 分 に 広 帯 域 化 す る こ とが で き る.す な わ ち,本 研 究 の ア イ デ ア は 別 々 の ア プ ロ ー チ に よ っ て,一 般 的 に 両 立 困 難 な 高 感 度 性 と広 帯 域 性 の 両 立 を 目 指 す 点 で あ る と い え る.
12,本 研 究 の 目 的 10
本 研 究 は 特 に,ト ラ ンス デ ュ ー サ 部 分 に つ い て 検 討 す る.超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー サ の 設 計 法 の1つ に 等 価 回 路 を用 い る も の が あ る.ト ラ ン ス デ ュ ー サ は ア ド ミ ッ タ ン ス の 反 共 振 周 波 数 と機 械 的 な 共 振 周 波 数 が 一 致 す る.そ の た め 外 部 か ら超 音 波 を 受 信 す る際 反 共 振 点 で 受 信 感 度 が 最 大 とな る.そ こ で,従 来 の ト ラ ン ス デ ュ ー サ は所 望 の 周 波 数 を 機 械 共 振 周 波 数 に もっ よ うに 設 計 さ れ て い る.ま た,典 型 的 な トラ ン ス デ ュー サ は 厚 みi振動 や 膜 振 動 な どの 単 一 の 振 動 を 用 い て 超 音 波 を送 受 信 す る た め,そ の 振 動 は波 動 方 程 式 に よ っ て 簡 単 に 解 析 可 能 で あ る.そ の た め,等 価 回 路 と波 動 方 程 式 に よ る振 動 解 析 を 組 み 合 わ せ た ト
ラ ンス デ ュ ー サ の 設 計 法 が 広 く用 い られ て い る.そ の 際 単 一 振 動 を 想 定 し て い る た め, 多 くの 仮 定 や 近 似 を 用 い て 理 想 的 に 波 動 方 程 式 を解 い て い る.一 方,現 在 で は リ ア ル タ イ ム3次 元 イ メ ー ジ ン グや 生 体 内 イ メ ー ジ ン グ な どの 超 音 波 画 像 診 断 の 更 な る応 用 の 期 待 が 高 ま り,そ れ らの 要 求 に 応 え る た め に は,超 音 波 トラ ン ス デ ュ ー サ の 高 周 波 化 や 超 小 型 化 が 鍵 とな る.そ の 超 小 型 化 の 過 程 に お い て,従 来 の 仮 定 が 適 用 で き な くな り,新 た な 特 性 を 有 す る ト ラ ン ス デ ュ ー サ の 可 能 性 が 予 想 さ れ,そ の 設 計 法 の 提 案 が 必 要 と な る.
1.3.本 論 文 の 構 成 11
1.3本 論 文 の 構 成
第1章:序 論
研 究 背 景 と して,現 状 の 医 用 超 音 波 に つ い て 概 観 し,現 状 の 超 音 波 トラ ン ス デ ュー サ に つ い て 述 べ る.そ れ ら を 受 け て,本 研 究 の 意 義 と 目 的 を 示 す.
第2章=準 備
トランスデューサの波動方程式に よる振動解析や等価回路に よる設計法な どの本研究 に 関連 す る基礎知識 を説 明す る.
第3章:所 望 周 波 数 設 計 と 性 能 比 較
本研 究 にお ける初期検討で あ り,所 望の周波数 を共振 周波数 に持つ異な る構造 の トラン スデューサをその性能 の観 点か ら比較 し,適 した構造 を調査 す る.内 容 を検討1と する.
第4章:厚 膜 ダ イ ア フ ラ ム の 特 性 と超 広 帯 域 設 計
検討1を 受 けて,ト ランスデューサ性能 の構造依存性 の更 な る調査 に よって,広 帯域設 計手法 を任意 の高 周波 帯域 にまで拡張 す る.本 章の内容 を検討Hと する.
第5章:厚 膜 ダ イ ア フ ラ ム の 広 帯 域 メ カ ニ ズ ム
検 討1,1の 諸特性 が,ト ランスデ ューサ の設計パ ラメー タとどの ような関係 にあ るの かを考察 し,そ の メカニ ズムにつ いて精査す る.内 容 を検 討 皿 とす る.
第6章:結 論
本研究で得 られ た成果 を まとめ、今後の展望 につ いて述べて いる,
12
第2章 準備
2.1超 音 波 の 基 礎
2.1.1超 音 波 物 理 と超 音 波 イ メ ー ジ ン グ の基 礎
超 音 波 診 断 装 置 は 以 下 の 利 点 か ら,医 療 現 場 に お い て,必 需 品 と な っ て い る.[32]
1.生 体 内臓 器 の 動 き を リ ァ ル タ イ ム で 観 察 で き る こ と
2.生 体 組 織 の わ ず か な 違 い(正 常 組 織 と癌 組 織)の 画 像 表 現 に最 も 有 利 な こ と 3.生 体 外,内 か ら局 所 的 な 診 断 が 可 能 な こ と
4.生 体 内 穿 刺 検 査 等,既 存 の 検 査 ・治 療 手 段 の ガ イ ド と して 有 用 で あ り,か つ 安 全 性 の 確 保 に 大 き く寄 与 し得 る こ と
5.画 像 診 断 装 置 と して は 比 較 的 安 価 で あ り使 い 方 も簡 単 な の で 規 模 の 小 さ い 病 院 で も, 手 軽 に使 う こ とが 可 能 な こ と
超 音波診 断装 置 は超 音波 を送受信 す る ことで診 断領域 内の物 体の形,位 置,運 動 の様子 な どの情報 を映像 にす るこ とがで きる.[33]医 用超音波診 断装 置のイ メージ ング概念 を 図2.1に 示す.超 音波 は交互圧力 を振動波 と して組織を伝搬す る機械 的エネ ルギーで ある.
[34]超音波 イメージングは,振 動体の表面が振動す ることによって発生 した圧 力の時間的 変化が液体や生体な どの音響媒質 を伝搬 するこ とを利用 してい る.超 音波 には組織 の振動 方 向に沿 って伝搬 す る縦波 と振動方 向 と伝搬方 向が直行す るせん断波が あ る.一 般 的に, 液体 や軟質組織 は圧縮 に対 す る抵抗 を有す るが,せ ん断変形 には耐性が ない.そ のため, 液体や軟 質組織 は縦波 のみが伝搬 され る.骨 な どの硬組織 は縦波 とせ ん断波の両方 を伝搬 可 能であ る.
超 音 波[35]
超 音 波 と は,一 般 に 周 波 数 が 高 く,耳 で 聞 く こ とが で き な い 音 と さ れ て い る.人 間 の 可 聴 音 域 は,約20か ら20000Hzで あ る と さ れ,こ れ よ り周 波 数 の 低 い 音 を 超 低 音,周 波 数 が 高 い 音 を超 音 波 で あ る.し か し,人 間 の 耳 で 聞 こ え る周 波 数 の 限 界 は,厳 密 に 決 め られ る も の で な い こ とや,音 の 様 々 な 効 果 を 利 用 す る技 術 が 発 達 した こ とか ら,「超 音 波 とは
2.1.超 音 波 の 基 礎 13
Diagnosticultrasoundimagingsystem
T「ansduoe「
Conversionbetweorleledrio andmechanicalenergy
ε一 會
び(㌻ Refiectionandscattering frombody
Fig・2.1.Concep七 〇fultrasonicilエLagin9, 図2.1超 音 波 イ メ ー ジ ン グ の 概 念
聞 く こ と を 目 的 と して い な い 音 波 」 と定 義 され て い る.超 音 波 が 診 断 装 置 に 利 用 さ れ る 理 由 は,以 下 の 様 な 超 音 波 の 特 性 が 有 る た め で あ る.
1.超 音 波 は 生 体 を媒 質 と して 伝 播 す る こ とが で き る 2.超 音 波 の 強 さ が 小 さ い と,生 体 に 対 し て 無 侵 襲 で あ る
3,高 い 周 波 数 の 超 音 波 は,音 の 広 が りが 少 な く,音 の ビ ー ム と して 利 用 出 来 る
4.生 体 は 音 響 的 性 質 が 異 な る 組 織 で 構 成 さ れ て い る た め,超 音 波 を 当 て る と反 射 波 を 組 織 に 対 応 して 得 る こ とが で き る
等 々が超音波 の生 体への適応 の特徴 であ る.
超 音 波 の 周 波 数 と 波 長[35]
周 波 数 とは1秒 間 に 超 音 波 の 波 の 数 が 何 個 あ るか を 表 して お り,単 位 はHzで 表 わ す .診 断 用 超 音 波 装 置 に 用 い ら れ て い る 周 波 数 は 大 部 分 が2MHzか ら10MHz程 度 で あ る,ま た,こ の 時 の 波 長 は 音 速/周 波 数 で 表 わ さ れ,人 体 の 軟 部 組 織 の 音 速 は 約1530m/sで あ る か ら,こ の 式 に 音 速 と周 波 数 を 代 入 す る と,波 長 は2MHzで 約O.76m,10MHzで は 約O.15mmと な る.
