探測器、被檢體信息獲取裝置及制造探測器的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及探測器、被檢體信息獲取裝置及制造探測器的方法。被配置為接收來自被檢體的聲波的探測器包括：元件，該元件具有單元結(jié)構(gòu)，其中支撐了具有一對電極之一的振動膜，使得該振動膜可被聲波所振動，該對電極被形成為在其間布置有間隙；光反射層，該光反射層相對于元件被設在靠近被檢體的位置并且被配置為對光進行反射；以及支撐層，該支撐層被設在元件與光反射層之間并且被配置為支撐光反射層。
【專利說明】探測器、被檢體信息獲取裝置及制造探測器的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明的各方面總體上涉及接收從被檢體生成的聲波的探測器、被檢體信息獲取裝置以及制造探測器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一種光成像技術(shù)可以是被稱為光聲層析成像(photoacoustic tomography, PAT)的光聲成像技術(shù)。光聲成像是檢測因為用光照射而生成的聲波(也稱為“光聲波”)并且從所獲得的接收信號生成圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)。此光聲波是在被檢體被用來自光源的脈沖光照射并且吸收了在被檢體中傳播的光的能量的組織被振動時生成的。此聲波的波長取決于組織的大小，并且通常在超聲波的波長范圍中。
[0003]日本專利特開第2010-075681號公報提議了一種包括接收這種聲波的元件的探測器。在光聲成像中，如果用于生成聲波的光入射在探測器中的元件的接收面上，則在接收面處生成聲波，并且所生成的聲波可引起噪聲。為了限制在接收面處生成的聲波，日本專利特開第2010-075681號公報中描述的探測器直接在探測器中的元件的接收面上具有光反射層，以使得光不入射在接收面上。
[0004] 另外，作為壓電元件的替代品，研究了一種利用微加工技術(shù)制造的電容式微加工超聲換能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer,CMUT)。CMUT 是包括電容性元件的換能器。CMUT可利用振動膜的振動來發(fā)送和接收諸如超聲波之類的聲波。CMUT可獲得良好的寬帶特性，尤其是在液體中。
[0005]在電容式換能器中，當用于生成聲波的照射光入射在元件的接收面上時可生成聲波，并且該聲波可引起噪聲。然而，如果像日本專利特開第2010-075681號公報中那樣直接在元件上方布置光反射層，則光反射層的應力可引起形成元件的振動膜的彈簧常數(shù)的變化、振動膜的變形的變化，等等。對振動膜的影響可引起元件的靈敏度的降低和變化，以及帶寬的減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的各方面總體上涉及光反射層，同時限制了光反射層對元件的影響。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種被配置為接收來自被檢體的聲波的探測器包括:元件，該元件具有單元結(jié)構(gòu)，其中支撐了具有一對電極之一的振動膜，使得該振動膜可被聲波所振動，該對電極被形成為在其間布置有間隙；光反射層，該光反射層相對于元件被設在靠近被檢體的位置并且被配置為對光進行反射；以及支撐層，該支撐層被設在元件與光反射層之間并且被配置為支撐光反射層。支撐層具有50MPa或更大的破裂應力。
[0008]從以下參考附圖對示例性實施例的描述中將清楚看出本公開的其他特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是示出探測器的配置的示例的截面圖。[0010]圖2A和2B是示出電容式換能器的配置的示例的示意圖。
[0011]圖3是示出探測器的殼體的示例的透視圖。
[0012]圖4是示出電容式換能器與柔性基板之間的連接的示例的示意圖。
[0013]圖5是示出電容式換能器插入到殼體中的示例的截面圖。
[0014]圖6是包括探測器的被檢體信息獲取裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面參考附圖描述示例性實施例。
[0016]圖1是示出探測器的配置的示例的截面圖。此實施例的探測器至少包括電容式換能器33、支撐層10和光反射層6，該電容式換能器33是機電換能器。圖1圖示了此實施例的期望示例。在電容式換能器33與支撐層10之間設有聲匹配層9。另外，電容式換能器33被容納在充當殼體的殼體框11中，并且諸如柔性基板之類的構(gòu)件未被圖示出。首先，參考圖2A和2B來說明電容式換能器33。
[0017]電容式換能器
[0018]圖 2A是電容式換能器33的頂視圖。圖2B是沿著圖2A中的IIB-1IB線取的截面圖。電容式換能器33包括至少一個元件I,該元件I具有至少一個單元結(jié)構(gòu)2。單元結(jié)構(gòu)2具有一對電極，并且支撐具有該對電極之一的振動膜，使得該振動膜可被振動，其中該對電極被形成為在其間布置有間隙。圖2A僅圖示了四個元件I ;然而，元件的數(shù)目可為任意數(shù)目。另外，每個元件I包括九個單元結(jié)構(gòu)2;然而，單元結(jié)構(gòu)2的數(shù)目可為任意數(shù)目。在圖2A中單元結(jié)構(gòu)的形狀為圓形；然而，形狀可以是四邊形、六邊形或其他形狀。
[0019]在圖2B中，基板3使用半導體基板，例如硅基板?；?具有作為第一電極的功能。作為替代的方案，由金屬等制成的層可設在基板上，并且可充當?shù)谝浑姌O。間隙5存在于充當?shù)谝浑姌O的基板3與第二電極8之間。支撐部4形成在基板3上。支撐部4支撐第二電極8和振動膜7，使得第二電極8和振動膜7可被振動。
[0020]在圖2B中，振動膜7例如是單晶硅。如果振動膜7是低電阻的單晶硅，則單晶硅可用作第二電極。在此情況下，可不布置充當?shù)诙姌O8的金屬。振動膜7可以是絕緣膜，例如氮化硅膜或氧化硅膜。
[0021]充當?shù)谝浑姌O的基板3對著第二電極8。從電壓施加單元(未示出)向該對電極之間的區(qū)域施加電壓。另外，元件I可利用布線從第二電極8獲取每個元件的電信號。也就是說，第一電極充當共用電極，其中元件通過第一電極電連接，并且第二電極8充當獲取每個兀件的電信號的信號獲取電極。然而，如果第一電極對于各個兀件是電氣分離的，則第二電極8可充當共用電極，并且每個第一電極可充當獲取每個元件的電信號的信號獲取電極。
[0022]驅(qū)動原理
[0023]描述根據(jù)本實施例的電容式換能器的驅(qū)動原理。當接收到聲波時，電壓施加單元向第一電極施加直流電壓，使得在第一電極與第二電極8之間生成電勢差。當接收到聲波時，其中形成有第二電極8的振動膜7彎曲。因此，第二電極8與第一電極之間的間隔(間隙5的深度方向上的距離)改變，并且電容量改變。由于電容量的變化，從第二電極8輸出電流。電流-電壓轉(zhuǎn)換器(未示出)將該電流轉(zhuǎn)換成電壓，并且提供聲波的接收信號。如上所述，通過改變布線的配置，可向第二電極8施加直流電壓并且可從第一電極獲取每個元件的電信號。
[0024]另外，此實施例的電容式換能器可發(fā)送聲波。如果發(fā)送聲波，則向第一電極施加直流電壓，向第二電極8施加交流電壓，并且通過靜電力使形成有第二電極8的振動膜7振動。利用此振動，可發(fā)送聲波。即使發(fā)送聲波，通過改變布線的配置，也可向第二電極8施加直流電壓，可向第一電極施加交流電壓，并且可使振動膜7振動。
[0025]聲匹配層9
[0026]如圖1中所示，在此實施例的探測器中，聲匹配層9位于電容式換能器33的振動膜7的上方(在被檢體側(cè))。聲匹配層9可具有與振動膜7的聲阻抗接近的聲阻抗。更具體而言，聲阻抗可優(yōu)選在I兆瑞利(MRayls)至2兆瑞利的范圍中。聲匹配層9可以是硅酮橡膠，其中架橋(bridge)有包含聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作為主成分的有機聚合物?；蛘?，可以使用添加有硅石粒子等的PDMS，或者其中以氟代替PDMS的氫的一部分的氟硅酮。硅酮橡膠對振動膜7的影響較小，并且可優(yōu)選具有在10 μ m至900 μ m范圍中的厚度。另外，為了不大幅改變振動膜7的機械屬性，例如變形和彈簧常數(shù)，聲匹配層9的楊氏模量可優(yōu)選為IOMPa或更小。在其中架橋有包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為主成分的有機聚合物的娃酮橡膠的情況下，楊氏模量約為IMPa。
[0027]如上所述，由于聲匹配層9具有小的楊氏模量,則如果光反射層6直接形成在聲匹配層9上，聲匹配層9的膜應力可影響光反射層6，例如使光反射層6變形。因此，在此實施例中，經(jīng)由支撐層10形成光反射層6。
[0028]支撐層10
[0029]支撐層10 可具有比聲匹配層9的楊氏模量更大的楊氏模量，以限制光反射層6的彎曲和變形。更具體而言，支撐層10的楊氏模量可優(yōu)選在IOOMPa至20GPa的范圍中。另外，支撐層10可具有接近聲匹配層9的聲阻抗的聲阻抗。更具體而言，聲阻抗可優(yōu)選在I兆瑞利至5兆瑞利的范圍中。
[0030]具有接近聲匹配層9的聲阻抗的聲阻抗的膜可以是聚甲基戊烯(polymethylpentene)、聚乙烯(polyethylene)等等的烯烴膜(olefin film)。然而，如果形成有裂紋之類的，則這種烯烴膜往往容易撕裂，因此烯烴膜可能是難以操作的。
[0031]因此，除了在相對于聲匹配層9的界面處聲波反射小以外，光反射層6的支撐層10還可具有充分的剛性(特別是充分的破裂應力)。更具體而言，此實施例的支撐層10具有50MPa或更大的破裂應力。有了這種破裂應力，支撐層10難以撕裂。另外，如上所述，除了破裂應力大以外，楊氏模量可優(yōu)選地大。更具體而言，楊氏模量可優(yōu)選在IOOMPa至20GPa的范圍中。
[0032]如果探測器是在與特定的聲介質(zhì)(聲匹配溶液)接觸的同時被使用的，則支撐層10的溶解度參數(shù)(SP值)可優(yōu)選與該聲介質(zhì)的溶解度參數(shù)相隔5或更大。也就是說，支撐層10的溶解度參數(shù)與聲介質(zhì)的溶解度參數(shù)之間的差異可優(yōu)選為5或更大。溶解度參數(shù)是指示一特定物質(zhì)在另一特定物質(zhì)中溶解的量的溶解度的指標。如果聲介質(zhì)通過在光反射層6中形成的裂紋而浸入光反射層6中并且與支撐層10接觸，則聲介質(zhì)的浸入可引起支撐層10破裂。如果支撐層10的溶解度參數(shù)與聲介質(zhì)的溶解度參數(shù)相隔5或更大，則對聲介質(zhì)的抵抗性高。
[0033]適用于布置在聲匹配層9上的支撐層10的材料可以是諸如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)或聚萘二甲酸乙二酯(polyethylene naphthalate)之類的聚酯、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚酰胺纖維或者聚醚砜。尤其，聚酯是最優(yōu)選的材料。聚酯膜具有大于80MPa的破裂應力，具有大于IGPa的楊氏模量，并且具有充分的剛性(特別是充分的破裂應力)。另外，聚酯膜具有良好的表面光滑度，并且適于用作光反射層6的支撐基底構(gòu)件。要注意，雖然聚酯具有高的剛性，但聚酯具有大的聲阻抗。然而，如果聚酯膜的厚度為一定厚度或更小(稍后將詳述)，則可以限制聲波的透射率的減小。如果聲介質(zhì)使用蓖麻油，由于蓖麻油的溶解度參數(shù)為16.2并且聚酯膜的溶解度參數(shù)為10.7，因此聚酯膜對于蓖麻油具有充分的抵抗性?，F(xiàn)在，描述聚酯膜的厚度和光聲波的透射率的減小。
[0034]聚酯膜的聲阻抗為2.9兆瑞利。當聲波到達振動膜7時，由于聲匹配層9與由聚酯膜形成的支撐層10之間的界面處的反射等等，聲波的強度降低。此時，發(fā)送到振動膜7的聲波的強度取決于聚酯膜的厚度。假定聚酯膜中的聲速(聲波的傳播速度)是2260m/s。
[0035]如果探測器在聲介質(zhì)的液體中，則假定聲介質(zhì)的液體的聲阻抗是1.3兆瑞利。聲介質(zhì)可以是蓖麻油、橄欖油、甘油或乙二醇醚，或者這些材料的混合物。另外，如果聲匹配層9使用PDMS，則假定PDMS具有1.5兆瑞利的聲阻抗，以及1000m/S的聲速。振動膜7的機械阻抗取決于頻率(振動膜的振動次數(shù))。在許多情況下，振動膜7的機械阻抗等于或小于聲介質(zhì)的機械阻抗。
[0036]在此條件下，如果聚酯膜的厚度為30 μ m或更小，則相對于沒有聚酯膜的情況，在以聚酯膜作為支撐層10的情況下聲波的透射率的減小在IMHz至5MHz的頻率范圍中為10%或更小，并且在IMHz至8MHz的頻率范圍中為15%或更小。
[0037]與之不同，如果聚酯膜具有40μπι的大厚度，則相對于沒有聚酯膜的情況，有聚酯膜的聲波的透射率的減小在IMHz至5MHz的頻率范圍中為13%，并且在IMHz至8MHz的頻率范圍中為19%。因此發(fā)現(xiàn),如果聚酯膜的厚度增大,則聲波的透射率減小。從而,在此實施例中，如果支撐層10使用聚酯膜，則厚度可優(yōu)選為30μπι或更小。
[0038]光反射層6 [0039]此實施例的光反射層6是限制光入射在元件I上的構(gòu)件。更具體而言，該構(gòu)件反射被檢體上的照射光或者該照射光的漫射光。如果對作為被檢體的諸如乳房之類的活體進行診斷，則在許多情況下，具有在700nm至1000nm的范圍中的波長的近紅外區(qū)域被用作激光。光反射層6對于使用波長范圍(例如700nm至1000nm)中的光可具有高反射率(優(yōu)選為80%或更大的反射率，或者更優(yōu)選為90%或更大的反射率)。更具體而言，光反射層6可優(yōu)選由金屬薄膜形成，并且可使用包含Au、Ag、Al和Cu中的至少一種元素的金屬或者這些元素的合金。
[0040]另外,光反射層6可優(yōu)選具有150nm或更大的膜厚度。如果膜厚度為150nm或更大，則可獲得充分的反射率。然而，考慮聲阻抗，膜厚度可優(yōu)選為10 μ m或更小。例如,在Au的情況下，Au的聲阻抗高達約63X 106[kg.π1`2.s—1]，膜厚度必須小到一定的程度以防止因為聲阻抗之間的不匹配而引起的聲波的反射。因此，在Au的情況下，膜厚度可優(yōu)選為材料中聲波的波長的1/30或更小。特別地，由光聲效應生成的聲波的接收頻帶通常約為10MHz?？紤]到IOMHz情況下水中的波長約為150 μ m, Au膜可優(yōu)選具有5 μ m或更小的厚度?？墒褂闷嗟矸e或濺射作為形成方法。另外，為了增大粘合力，可設有Cr或Ti的基底層。
[0041]或者，光反射層6可不使用金屬膜，而是可使用介電多層膜。又或者，可使用一種疊層結(jié)構(gòu)，其中介電多層膜被形成在金屬膜上。疊層結(jié)構(gòu)是可取的，因為可以進一步增大反射率。
[0042]支撐層10在殼體處的布置
[0043]圖3是示出充當在其中容納電容式換能器的殼體的殼體框11的末端部的示意圖。在許多情況下，探測器的殼體框11是由金屬或合金形成的，并且材料可以是鋁、SUS，等等；然而，材料可以是其他材料，例如陶瓷。光反射層6可關(guān)于探測器的靠近被檢體的表面(探測器的對著被檢體的表面)被布置為是平坦的。如果光反射層6的平坦性降低，則布置在元件的表面與光反射層6之間的聲匹配層9的厚度變得不均一。因此，光聲波的界面反射條件變得不均一，這可能引起干擾要接收的聲波的因素，例如多重反射的干涉或者接收強度的降低。因此，光反射層6可被布置在殼體處，以不降低光反射層6的平坦性。
[0044]光反射層6可被預先形成在成為支撐層10的膜上。在殼體框11的上端面12上施加粘合劑，然后在上端面12上布置形成有光反射層6的支撐層10，并且在向支撐層10施加壓力的同時熱硬化粘合劑。從而，支撐層10被粘結(jié)到上端面12。因此，諸如聚酯膜之類的支撐層10可優(yōu)選具有1.2%或更大的熱收縮率。用于支撐層10的聚酯膜等在其制造過程中通過拉拔(draw)而被處理，并且熱收縮率特性主要依據(jù)拖曳條件而變化。熱收縮率是當膜被保持在一定溫度然后返回到室溫時的收縮率。
[0045]這里，表格示出了當實際準備了具有不同的熱收縮率的聚酯膜并且將其粘結(jié)在上端面12上時的結(jié)果。
[0046]表格
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種被配置為接收來自被檢體的聲波的探測器，該探測器包括: 元件，所述元件具有單元結(jié)構(gòu)，其中支撐了具有一對電極之一的振動膜，使得該振動膜可被聲波所振動，該對電極被形成為在其間布置有間隙； 光反射層，該光反射層相對于所述元件被設在靠近被檢體的位置并且被配置為對光進行反射；以及 支撐層，該支撐層被設在所述元件與所述光反射層之間并且被配置為支撐所述光反射層， 其中，所述支撐層具有50MPa或更大的破裂應力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述支撐層具有與接觸所述探測器的聲介質(zhì)的溶解度參數(shù)相隔5或更大的溶解度參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的探測器，還包括設在所述振動膜與所述支撐層之間的聲匹配層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探測器，其中，所述支撐層具有比所述聲匹配層的楊氏模量大的楊氏模量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探測器，其中，所述聲匹配層具有在I兆瑞利至2兆瑞利的范圍中的聲阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探測器，其中，所述聲匹配層具有IOMPa或更小的楊氏模量。`
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述支撐層具有在I兆瑞利至5兆瑞利的范圍中的聲阻抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述支撐層具有在IOOMPa至20GPa的范圍中的楊氏模量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述支撐層具有30μ m或更小的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，還包括: 殼體，該殼體被配置為容納所述元件， 其中，所述支撐層具有1.2%或更大的熱收縮率，并且所述支撐層被粘結(jié)到所述殼體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述支撐層是由聚酯制成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的探測器，其中，所述聚酯是聚對苯二甲酸乙二酯。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述光反射層是由包含Au、Ag、Al和Cu中的至少一種元素的金屬薄膜形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器，其中，所述光反射層是由介電多層膜形成的。
15.—種被檢體信息獲取裝置,包括: 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測器； 光源；以及 數(shù)據(jù)處理器， 其中，所述探測器接收來自被檢體的聲波并將所述聲波轉(zhuǎn)換成電信號， 其中，所述聲波是由被來自所述光源的光照射的被檢體生成的，并且 其中，所述數(shù)據(jù)處理器利用所述電信號來獲取關(guān)于所述被檢體的內(nèi)部的信息。
16.一種制造探測器的方法，該探測器包括元件，所述元件具有單元結(jié)構(gòu)，其中支撐了具有一對電極之一的振動膜，使得該振動膜可被聲波所振動，該對電極被形成為在其間布置有間隙，所述方法包括: 在膜上形成光反射層； 將所述膜粘結(jié)到殼體； 利用聲匹配劑填充所述殼體；以及 將具有所述元件的基板插入到填充有所述聲匹配劑的所述殼體中，然后熱固化所述聲匹配劑。
【文檔編號】A61B8/00GK103720487SQ201310475572
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月12日
【發(fā)明者】秋山貴弘, 堀田薫央 申請人:佳能株式會社