JP2006527567A - 音響活性集積電子機器を備えた超音波送受波器の設計方法 - Google Patents

Abstract

超音波送受波器（１０）は、裏当ブロック（１２）と圧電層（１６）との間に配置された多層変成器（１４）を含み、少なくとも１つの整合層（１８，２０）が裏当ブロック及び圧電層のそれぞれの上に配置されている。変成器（１４）は、電子回路を有する基板（３０）と、１つ又はそれ以上の音響活性層（３２，３４，３６，３８）と、圧電層（１６）と基板（３０）との間に介装された相互接続層（４０）とを含む。基板（３０）、各音響活性層（３２，３４，３６，３８）、及び、相互接続層（４０）の特性が選択され、次に、変成器（１４）近傍の圧電層（１６）の側の音響インピーダンスが決定される。次に、変成器（１４）近傍の圧電層（１６）の側で所望の音響性能特徴をもたらすこれらの特性が得られるまで、例えば、コンピュータシミュレーションを用いて、特性が変更される。よって、電子回路は変成器（１４）の音響インピーダンスの決定時に検討される。

Description

本発明は、超音波送受波器で使用するための音響インピーダンス変成器を設計する方法に関し、音響的に活性な集積電子回路を備える超音波送受波器にも関する。

診断医療撮像に用いられる典型的な超音波送受波器は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電材料の層を含むのが普通であり、１つ又はそれ以上の音響インピーダンス整合層がＰＴＺの１つの側面に接着され、裏当材料のブロックが他の側面に接着されている。裏当ブロックは任意の厚さを有する基板材料である。物質を裏当ブロックとして提供する代わりに、空気裏当も可能である。整合層は、撮像されるべき人体又は物体への或いは撮像されるべき人体又は物体からの超音波エネルギーの結合を増大する働きがある。

電子ビームによる超音波ビームの走査を促進するために、送受波器を多数の独立した小さな送受波器（送受波器素子と呼ばれる）の配列に分離し得る。図１は、そのような送受波器の１つの送受波器素子１００の一部を示している。

裏当ブロック１０２及び整合層１０４は、通常、圧電層１０６の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有するので、圧電層１０６は半波長共振モードで振動し、送受波器の動作の中心周波数をほぼ次の通り設定する。

ここで、ｆ_ｈｗは、半波長共振周波数であり、ｖは、圧電材料における音速であり、ｄは、圧電材料の厚さである。

代替的に、送受波器が圧電材料よりも高い音響インピーダンスを有するように設計することも可能である。この場合には、送受波器は四分の一波長共振周波数とほぼ等しい中心周波数で動作し、ｆ_ｑｗは次によって与えられる。

所与の圧電材料及び厚さに関して、これらの周波数は２つの因数で異なることが明らかである。

二次元（２−Ｄ）超音波位相配列送受波器は、裏当ブロックの設計において独特の検討を提示する。一般的に、２−Ｄ配列は、超音波システム電子機器への何千もの個別の音響送受波器素子の接続を必要とする。

従来技術の送受波器では、送信、受信、予増幅、及び、部分ビーム形成機能を提供するために、電子回路を送受波器のハンドル内に組み込むのが有利であると認識されてきた。音響素子と電子回路との間の接続は、（例えば、米国特許第５，５９２，７３０号に示されているように）送受波器の音響裏当ブロック内に埋め込まれた導体又は導電性経路を介して、或いは、（例えば、米国特許第５，９７７，６９１号に記載されているように）音響素子と導体を含む裏当ブロックとの間の薄い多層相互接続構造を介してなされる。各場合、電子回路は送受波器の音響的に活性な領域の外側に配置されている。

埋込導体を備える裏当ブロックを製造する必要に鑑みて、並びに、何千もの導管の各々が電子回路に接続されなければならない故に、これらの従来技術の送受波器は組み立てるのは困難である。その上、送受波器の活性領域に相互接続構造が存在する結果、映像内に技術的欠陥（アーチファクト）を生成する望ましくない音響散乱場所を招き得る。さらに、相互接続構造における信号トレース間の静電容量は、望ましくない負荷を電子回路及び送受波器素子に導入し、個別の素子間に多数のクロストーク経路をもたらす。それらの双方は送受波器の性能を低下する。裏当ブロック内に導体を埋め込む方法も嵩張り且つ重い裏当ブロックを招き、送受波器の使用を困難にする。そのような送受波器のバルクも、エンドキャビティ送受波器及び小さな空間で用いられる他の送受波器に関してこの方法を使用することを排除する。

図２を参照すると、埋込導体を備える送受波器の代替手段は送受波器１０８であり、ここでは、所要の電子回路が、送受波器の音響構造の近傍に又は近接近して、１つ又はそれ以上の半導体チップ１１０の上に配置され、それによって、典型的に電子回路を備えるチップは集積回路の形態にある。その結果、チップ１１０と音響素子１０４，１０６との間の相互接続構造１１２は電気的には殆ど重要でなくなる。この構造の例は、米国特許第５，４３５，３１３号及び米国特許第５，７４４，８９８号並びに「超小型化された超音波送受波器」と題して２００２年１２月１１日にＳｕｄｏｌ ｅｔ ａｌ．によって出願された米国仮出願番号第６０／４３２，５３６号（代理人整理番号第ＵＳ０２０５３５号）に記載されており、これらの開示を参照として本明細書に引用する。

これらの開示において、電子回路の音響効果は無視されるか、或いは、例として、圧電素子１０６とチップ１１０上の電子回路との間に「不整合層」を用いることによって、それらを抑制する試みがなされている。しかしながら、こららのアプローチは最新の超音波撮像システムのために満足な成果を生んでいない。これらの撮像システムと共に使用するために、送受波器は大きな帯域幅に亘って動作し、送受波器が発生する送信パルスは可能な限り短くなければならない。例えば、精密な詳細を撮像するためには、約−１０ｄＢで測定される送信周波数の約１．６周期よりも少ない送信パルス長を有することが望ましい。

高調波撮像と呼ばれる他のモードでは、送受波器は1つの周波数で超音波を送信し、反響を第二高調波又はその2倍の周波数で受信する。これは、約−３ｄＢで測定されたときに、中心周波数の少なくとも６７％の一方向帯域幅を備えた送受波器を必要とする。一般的に、最小限の達成可能なパルス長は帯域幅と反比例する。性能の増大のためには、中心周波数の１００％に近づく或いは超過さえする帯域幅を備える送受波器が望ましい。このレベルの性能を達成するためには、音響構造全体の注意深い設計が必要とされる。

超音波送受波器のための整合層構造の設計は当該技術分野において既知であり、ここでは詳細に議論しない。高性能な送受波器のために、類似の注意が裏当ブロック及び如何なる裏当層にも払われなければならない。殆どの場合、裏当ブロック又は機械的若しくは熱的考慮から必要であり得る如何なる内部構造の境界からの反射の効果をも除去するよう、均一な音響インピーダンス及び高音響損失をもたらすために、均質な組成の材料が裏当ブロックのために用いられる。

電子チップ、及び、場合によっては、裏当ブロックと圧電層との間の電気的相互接続層の存在は、圧電層の背面に与えられる音響インピーダンスを変成し、この変成は周波数に依存する。単一の裏当層のために、特別に関心のある二組の周波数がある。裏当層が半波長厚さの整数である周波数で、正面の裏当層で見られる音響インピーダンスは、裏当層の背面を負荷する音響インピーダンスと同一であり、変成比は１である。裏当層が四分の一波長厚さの奇数である周波数で、層の正面で見られる音響インピーダンスは次の通りである。

ここで、Ｚ_ｑｗは、裏当層の正面で見られる変成されたインピーダンスであり、Ｚ_ｃは、裏当層の材料の特性音響インピーダンス（裏当層インピーダンス）であり、Ｚ_Ｌは、裏当層の背面での音響負荷インピーダンスである。

もし裏当層インピーダンスがＺ_Ｌに比べて高いならば、変成されたインピーダンスは裏当層インピーダンス自体よりも一層高い。逆に、裏当層インピーダンスがＺ_Ｌに比べて低いならば、変成されたインピーダンスは裏当層インピーダンスよりも一層低い。半波長と四分の一波長の間において、変成されたインピーダンスは、裏当層インピーダンスと四分の一波長変成されたインピーダンスとの間の中間の大きさ備えた複素数の値をとる。

各裏当層は、その背後の裏当層によって発生するインピーダンスをさらに変成する（多数の裏当層が存在する場合）。他の裏当層は周波数を伴って変化するので、動作は極めて複雑であり得るが、次の周知の変換式によってモデル化され得る。

ここで、Ｚ_ｉｎは、変成されたインピーダンスであり、８は、層材料内の音の波長であり、ｄは、裏当層の厚さであり、ｊは、−１の平方根である。一般的に、裏当層インピーダンスよりも低いインピーダンスは高いインピーダンスに変成され、裏当層インピーダンスよりも高いインピーダンスは低いインピーダンスに変成される。

単一層によって変成されるような裏当ブロックインピーダンスは周波数を伴って大きく変化し、さらなる層を加えることは、さらなる変化を引き起こし、その結果、最終的な変成されたインピーダンス内に大きな共振ピーク及びナルを生じさせる。電子回路、例えば、シリコン集積回路、及び、関連する相互連結層は、それらの背後の裏当ブロックのインピーダンスを丁度記載されたように変成するので、変成されたインピーダンスはある周波数で極めて高いのに対し、他の周波数では極めて低くなり得る。

上記のように、高い裏当ブロックインピーダンスを備えた送受波器は、四分の一波長モードで、且つ、同一の圧電層を備えるが低いインピーダンス裏当層を備える送受波器の周波数の約二倍で動作する。周波数の関数である裏当ブロックインピーダンスを備える送受波器は、変成された裏当ブロックインピーダンスが高い周波数で四分の一波長モード、及び、変成された裏当ブロックインピーダンスが低い周波数で半波長において動作し得る。１つのモード用に設計された送受波器の動作は他のモードでは不十分であり、よって、所望の動作帯域内に異なる周波数で異なるモードを有することは、共振ピーク又はナルを有する可能性のある不調で狭いスペクトルを招くであろう。

仮にモードの混合が生じないとしても、周波数依存の裏当ブロックインピーダンスが送信されたスペクトルに望ましくない歪みを導入し得る。そのようなスペクトルは、多重又は調和周波数での動作を排除し、許容し得ない程に長い送信パルスを招く。

これらの検討から、音響活性層に近接近して電子回路を組み込む従来技術の送受波器は、最適化された性能をもたらし得ない。

超音波送受波器で用いるための音響インピーダンス変成器を設計する新規な方法を提供するのが本発明の目的である。

所望の音響性能を備えるために、及び、選択的に、送受波器の音響性能を最適化するために、送受波器の音響設計に電子回路を組み込む方法、並びに、そのように組み込まれた電子回路を備えた送受波器を提供することが本発明の目的である。

音響的に活性な集積電子回路を備えた新規な超音波送受波器を提供することが本発明の他の目的である。

これら及び他の目的を達成するために、本発明に従った超音波送受波器の設計時、インピーダンス変成材料の単一層が送受波器の音響性能に及ぼす影響を考慮する代わりに、多層変成器が設計され、ここでは、電子回路を有する基板がこれらの層の１つであり、多層変成器の構成要素が音響性能に及ぼす複合効果が考慮される。所望の音響性能を備える変成器に到達するために、多層変成器の構成要素の特性、場合によっては、構成要素の数が変更される。構成要素の特性の変更は、例えば、製造、費用、又は、構造的制限のような制限の下にある。

より具体的には、多層変成器は、裏当ブロックと圧電層との間に位置付けられるのが典型的であり、圧電層の上に少なくとも１つの整合層が配置される。多層変成器は、電子回路を有する基板と、１つ又はそれ以上の音響活性層と、圧電層の側の音響活性層の１つ又は圧電層を基板に接続するための相互接続層とを含み、電子回路は基板に関連して配置されている。基板、各音響活性層、及び相互接続層の特性が選択され、次に、変成器の音響インピーダンスが変成器近傍の圧電層の側で決定される。このようにして、電子回路が変成器の音響インピーダンスの決定時に検討される。設計過程において、変成器近傍の圧電層の側で所望の音響性能特徴をもたらす値が得られるまで、基板、各音響活性層、及び、相互接続層の特性が、例えば、コンピュータシミュレーションを用いて変更される。特性は変成器近傍の圧電層の側で最適な音響インピーダンスをもたらし得る。また、特性は、特定の種類の送受波器、例えば、四分の一波モードで動作する送受波器、又は、半波長モードで動作する送受波器を提供するために選択され得る。基板、各音響活性層、及び、相互接続層の変更可能な特性は、それらの材料又は組成及び厚さである。また、異なる種類の相互接続層をテストし得る。構成要素の他の特性も可能限りの範囲で変更し得る。もし変成器が多層音響層を含むよう設計されるならば、変成器近傍の圧電層の側で所望の音響性能特性を得るために、音響活性層の数も変更し得る。もし変成器が電子回路を送受波器ケーブルに接続するための追加的相互接続層を含むならば、変成器近傍の圧電層の側で所望の音響性能特徴を得るために、この追加的相互接続層の材料及び厚さも変更し得る。

一般的に、変成器の構成要素の１つ又はそれ以上の変更可能な特性は設計の制限下にある。よって、設計過程において、基板の材料及び厚さ、少なくとも１つの音響活性層の材料及び厚さ、並びに、相互接続層の種類、材料、及び、厚さの変更における制限が課され得る。

上記に議論した方法によって設計され得る本発明に従った超音波送受波器は、音響裏当ブロックと、裏当ブロック上に配置された音響インピーダンス変成器と、変成器上に配置された圧電層と、圧電層上に配置された少なくとも１つの整合層とを含む。圧電層及び各整合層は、送受波器素子の配列を形成するよう区分され得る。変成器は、基板と、基板と関連して配置された電子回路と、裏当ブロックと異なる少なくとも１つの音響活性層とを含む。電子回路が半導体材料上に組み立てられるよう、基板を半導体材料によって形成し得る。

変成器は、音響インピーダンスを有し、且つ、基板と圧電層の側の音響活性層との間又は基板と圧電層との間に配置された相互接続層を含むのが典型的である。よって、基板は裏当ブロック近傍に配置可能であり、音響活性層が圧電層の側に存在する場合、音響活性層が圧電層近傍に配置される。１つ又はそれ以上の追加的音響活性層を基板の反対側、即ち、基板と裏当ブロックとの間に配置し得る。圧電層近傍の１つ又はそれ以上の音響活性層も圧電層及び整合層の区分に従って区分し得るので、各送受波器素子は、圧電層の一部及び各整合層の一部に加えて、音響活性層の一部を含み得る。音響活性層の区分は、それらの厚さ全体を通じて、或いは、それらの厚さの一部のみを通じて遂行され得る。

本発明は、そのさらなる目的及び利点と共に、添付の図面と一緒に以下の記載を参照することによって最も良く理解されるであろう。図面において、同様の参照番号は同様の素子を特定している。

添付の図面を参照すると、ここでは、同様の参照番号は同一又は類似の素子を指しており、図４は、本発明に従った位相配列送受波器のための送受波器１０の幾つかの送受波器素子１０ａを示している。送受波器は、一次元又は二次元配列に配置された複数のそのような送受波器素子１０ａを含む。配列内において、送受波器素子１０ａは、一次元若しくはそれ以上の次元の平坦面又は一次元若しくはそれ以上の次元の曲面に配置され得る。

送受波器１０は、裏当ブロック１２と、裏当ブロック１２の正面に配置された音響インピーダンス変成器１４と、変成器１４上に配置された圧電層１６と、圧電層１６上に配置された２つの整合層１８，２０とを含む。圧電層１６及び整合層１８，２０は送受波器素子１０ａに区分され、よって、各送受波器素子１０ａは、圧電層１６の区域１６ａと、各整合層の区域１８ａ，２０ａとを含む。単一の圧電層１６及び２つの整合層１８，２０が示されているが、任意の数の圧電層及び整合層を設け得る。

送受波器１０の残余部分の組み立てと分離して整合層１８，２０を組み立て得る。例えば、整合層１８，２０は重合体膜を含み、各送受波器素子１０ａのサイズのセグメントに切断され、次に、エポキシ樹脂又は他の接着剤によって圧電層１６に接着され得る。素子金属化層２２が最上部の整合層２０の上面、即ち、全ての送受波器素子１０ａの上及びそれらの間に塗布され、導体２４が可撓な回路板２６を介して送受波器素子１０ａを接地するために設けられている。送受波器素子１０ａを接地するための他の方法も本発明において用い得る。よって、金属化層２２及び導体２４の使用は、全ての整合層１８，２０が伝導性を有する場合における接地構造の提供の１つの例示的方法に過ぎない。重要な考慮は、圧電層１６の頂面の電極に電気接続を提供することである。他の方法は、金属化層を整合層の間に組み込むこと、金属層を頂部電極へ直接的に取り付けること、又は、頂部電極が端部を回って圧電層１６の背面を包み込むよう頂部電極を組み立てることを含む。

導電体２８は回路板２６上の回路を変成器１４上の回路に結合するためにも設けられている。

変成器１４は、電子回路を含むチップ３０（以後、集積回路と呼ぶ）と、少なくとも１つの音響活性層と、集積回路を被覆層に接続するために集積回路３０の上に配置された相互接続層４０とを最低限含む。もし音響活性層が集積回路３０と圧電層１６との間に設けられていないならば、相互接続層４０を被覆する層は圧電層１６であり、１つ又はそれ以上のそのような層が集積回路３０と圧電層１６との間に設けられているときには、音響活性層であり得る。相互接続層４０と圧電層１６との間に１つの又はそれ以上の音響活性層がある実施態様において、これらの層は導電性材料で形成されなければならず、さもなければ、これらの層は、例えば、層内に埋め込まれた導電路を有することによって、相互接続層４０から圧電層１６上の背後電極への導電路を提供しなければならない。

図４は、変成器１４が相互接続層４０と圧電層１６との間に配置された単一の音響層３６を含む実施態様を示している。追加的音響層を相互接続層４０と圧電層１６との間に設け得る。

音響層３６は、可能であれば、圧電層１６が区分されるのと同一の製造工程において、区域３６ａに区分され、各区域３６ａが各送受波器素子１０ａの部分になっている。よって、各送受波器素子１０ａは、音響層区域３６ａと、圧電層区域１６ａと、整合層区域１８ａ，２０ａとを含む。

図５は、集積回路３０と、集積回路３０と裏当ブロック１２との間に配置された単一の音響層３２と、集積回路３０と圧電層１６との間に配置された相互接続層４０と、を含む変成器１４を示している。図６は、集積回路３０と、集積回路３０と裏当ブロック１２との間に配置された単一の音響層３２と、集積回路３０と圧電層１６との間に配置された単一の音響層３６と、集積回路３０と音響層３６との間に配置された相互接続層４０と、を含む変成器１４を示している。

図７は、集積回路３０と、集積回路３０と裏当ブロック１２との間に配置された２つの音響層３２，３４と、集積回路３０と圧電層１６との間に配置された単一の音響層３６と、集積回路３０と音響層３６との間に配置された相互接続層４０と、を含む変成器１４を示している。

図８は、図７に示される変成器１４と類似するが、相互接続層４０と、相互接続層４０と圧電層１６との間の２つの音響層３６，３８とを含む。相互接続層４０と圧電層１６との間のそのような音響層の数は、以下に議論される設計過程で選択し得る。

得られるべき送受波器の所望の音響性能を得るために、例えば、送受波器１０の音響性能を最適化するために、集積回路３０内の電子回路は送受波器１０の音響設計に組み込まれている。換言すれば、インピーダンス特性を検討し、音響性能を評価するとき、電子回路を含む集積回路３０は変成器１４の層の１つとして見做される。変成器１４のインピーダンスは、変成器１４の正面側、即ち、圧電層１６の背面側で検討されるのが典型的である。

集積回路３０内の電子回路は、標準的な集積回路処理技術を用いて、シリコンウェハ上に製造される得る。電子回路を形成し且つ電子回路の動作を可能にする能力を保有することを条件として、他の半導体材料も電子回路を備えたチップの製造を可能にするために用い得る。

変成器１４は、集積回路３０中の電子回路を圧電層１６へ、並びに、送受波器ケーブル（図示せず）へ相互接続するための１つ又はそれ以上の層も含み得る。これらの考え得る追加的相互接続層の各々は、音響特性、特に、音速及び音響インピーダンスを有し、それらを変成器１４の設計に用いられ且つ要因とされ得る。

変成器１４は、音響層３２，３４，３６，３８のような構成要素の各々の特性に関して、マイクロ波電子機器で用いられる多区域インピーダンス変成器の設計と類似した方法で構成され得る。マイクロ波電子機器で用いられているそのようなインピーダンス変成器において、直列の送電線区域が電源と負荷との間に縦列接続されている。各送電線区域は関心のある帯域の中心周波数で波長の四分の一の長さであり、所望のインピーダンス変成、変成器内の区域の数、関心のある帯域幅によって決定される特性インピーダンスを有するのが典型的である。広範囲のインピーダンス変成比を達成し、且つ、少なくとも８区域まで用いるマイクロ波四分の一波変成器のための標準的な設計は、マイクロ波電子機器分野の当業者に既知である。

同様に、本発明に従った音響インピーダンス変成器を、マイクロ波電子機器で用いられているインピーダンス変成器を設計し且つ構成するために用いられているものと同様の方法及び設計方程式を用いて設計し且つ構成し得る。音響インピーダンス変成器において、電子回路及び如何なる相互接続層も音響活性層になり、音響活性層は変成器の音響設計に含まれ、性能条件に合致するよう調節される。殆どの場合、音響負荷も調節可能なパラメータである。

ここで図９を参照すると、設計過程において、初めに、送受波器の所望の音響性能、例えば、中心周波数、帯域幅、及び、パルス応答特性が検討される（ステップ４２）。次に、送受波器が四分の一波長モード又は半波長モードで動作するかの決定がなされる（ステップ４４）。これは高い裏当インピーダンス又は低い裏当インピーダンスのいずれが所望であるかを決定する（ステップ４６）。この及び所望音響性能の検討から、裏当インピーダンスの実際の所望の大きさが決定される。次に、変成器１４内に存在すべき構成要素が決定され、各構成要素の特性、例えば、各構成要素の材料及び厚さ並びに相互接続層の種類が決定される（ステップ４８）。そのように構成された変成器１４の音響性能が、例えば、上記の方法で或いは任意の既知の方法で決定される（ステップ５０）。

その後、所望のインピーダンスが達成されたかテストされ（ステップ５２）、もし所望のインピーダンスが達成されないならば、構成要素の特性が変更され（ステップ５４）、例えば、基板の材料及び／又は厚さ、及び／又は、音響活性層の数及び位置が変更され、次に、変更された変成器１４の音響性能が決定される（ステップ５０）。何れかが所望の音響インピーダンスをもたらすかを見るために、変成器１４の１つ又はそれ以上の構成要素の１つ又はそれ以上の特性の反復的な変更、及び、変成器変更１４の音響性能の後続的な決定がなされ且つ分析される（ステップ５２）。もしそうであれば、圧電及び整合層の特性、例えば、音響インピーダンス及び厚さが選択され（ステップ５６）、所望の音響性能が達成されたか見るために（ステップ６０）、送受波器全体の音響性能が分析される（ステップ５８）。もしそうであれば、送受波器１０は所望の音響性能をもたらす特性を有する構成要素を備えて構成され得る（ステップ６２）。

そうでなければ、選択された裏当インピーダンスを用いて所望の音響性能を達成可能か決定される（ステップ６４）。もしそうであれば、圧電層及び整合層の特性が変更され（ステップ６６）、変更された送受波器の音響性能が分析される（ステップ５８）。所望の音響性能が達成されたか見るために、圧電層の１つ若しくはそれ以上の特性又は整合層の１つ若しくはそれ以上の特性の反復的変更がなされ且つ分析される。もし達成されていなければ、送受波器のための異なる動作モード又は新しい裏当インピーダンスを選択することによって所望の性能を達成し得る。そうでなければ、仮に所望の音響性能でないとしても、最高の音響性能をもたらすために、構成要素の特性を選択することが可能である。最適な音響性能を得るために設計過程も遂行し得る。

構成要素の特性は単一的に変更し得る、例えば、基板の厚さだけを変更し得るし、或いは、組み合わせで変更し得る、例えば、基板の材料及び厚さの双方を変化し得る。

例えば、１つ又はそれ以上の層が特別の材料で形成される必要があり、或いは、特定の最低限及び最大限の厚さを有するという点で、本発明に従ったインピーダンス変成器の設計には制約のあることが多い。これらの制約は、例えば、１つ又はそれ以上の他の層の厚さ又はインピーダンスを修正することのような、変成器の理想的な設計からの逸脱を求め得る。設計の最適化は、シミュレーションプログラムを用いたコンピュータの支援で達成される可能性が最も高いであろう。

図６、７及び８に示されるような幾つかの実施態様において、音響層を電子回路を含む集積回路３０の上下双方に配置し得る。即ち、音響層３２，３４を集積回路３０の下に配置し、音響層３６は集積回路３０の上に配置しうる。如何なる具体的な実施態様における全ての層の数、組成、及び／又は、厚さも設計過程によって決定され、少なくとも部分的に、送受波器の所望の動作パラメータに依存することが理解されるべきである。

一般的に、送受波器を設計し構成するとき、電子回路を含むチップの少なくとも厚さが特定される。シリコンウェハ上に製造される集積回路の場合、この厚さは集積回路産業で一般的に用いられている如何なるウェハ薄膜化処理を用いて製造され得る。

相互接続層は、適用に適する材料層を集積回路に接続可能にするための如何なる既知の手段、例えば、伝導性エポキシ樹脂又は「フリップチップ」結合をも示す。変成器１４の所望の音響性能を得るために、相互接続層の種類は設計段階で変更され得る。

選択される特別な接続手段は、一定の音響特性及び厚さを層にもたらすべきである。音響変成器の最終形態における相互接続層に望まれる音響特性は、相互接続手段の選択を決定し得る。加えて、それらを製造し且つ音響設計に影響を及ぼす、利用可能な材料及び実行し得る厚さには制限がある。

図３Ａ乃至３Ｃ及び図１０乃至１２Ｃを参照して、本発明に従った送受波器における変成器１４の設計の利点を以下に議論する。図３Ａは、図２に示される従来技術の送受波器の裏当構造の生じ得る音響インピーダンス（裏当インピーダンス）のチャートであり、ここで、水平方向の目盛は、送受波器１０８の中心周波数に対して正規化された周波数（ｆ／ｆ_ｃ）であり、垂直方向の目盛は、圧電材料のための典型的なインピーダンスによって分割された結果的な音響インピーダンスの大きさ（Ｚ／Ｚ_Ｏ）である。裏当構造は、裏当ブロック１０２と、集積回路１１０と、相互接続層１１２とを含む。集積回路１１０及び相互接続層１１２は、それらの音響特性に関係なく、裏当ブロック１０２上に配置される。集積回路１１０及び相互接続層１１２の音響特性を考慮又は最適化することなしに、圧電層１０６の背面によって見られる音響インピーダンスは、図３Ａに示されるように、顕著なピークおよびナルを有する。

図３Ａに示されているグラフは例示的であり、実際のグラフは送受波器の詳細に依存するであろうが、インピーダンスにおける大きなピーク及びゼロは典型的であり、送受波器のために著しく劣化したスペクトルを生じさせるであろう。

図３Ｂは、上記された裏当構造上に広帯域送受波器を構築する試みに起因する生じ得る周波数応答を示している。図３Ａに示されるインピーダンスにおける大きなピークに対応してスペクトル内に著しい深いナルがある。その結果として得られる送信パルスは図３Ｃに示されており、そこでは、水平方向の目盛は中心周波数のサイクルで測定された時間であり、垂直方向の目盛はパルスの振幅である。波形及びその包絡線の双方が図３Ｃに示されている。主要パルスを越えた数サイクル波形の連続は、裏当構造上に構築された送受波器を現代の超音波撮像システムのために使用不能にする。具体的には、最も広く離間した−ｄＢの包絡線で測定されたパルス幅は３サイクルを優に越える。

図５に示されるように集積回路３０と裏当ブロック１２との間に単一の音響活性層３２を有する本発明に従った送受波器１０内の変成器１４を用いて、圧電層１６の背面に見られる音響インピーダンスは、図１０Ａに示されるように、図３Ａに示される音響インピーダンスに比べて実質的により均一である。しかしながら、集積回路３０の厚さ及び／又は相互接続層４０の厚さは上記の設計過程を通じて調節され、次に、適切な裏当インピーダンスをもたらすために特定の厚さが選択されることが重要である。

図１０Ｂは、図１０Ａに示される音響インピーダンスを有する本発明に従った送受波器に起因する周波数応答を示しており、結果として得られる送信パルスが図１０Ｃに示されている。波形及びその包絡線の双方が図１０Ｃに示されている。周波数応答は、中心周波数の約７０％よりも僅かに大きい帯域幅を−３ｄＢに有し、送信インパルス応答の幅は−１０ｄＢでおおよそ１．６サイクルである。

ここで図１１Ａ乃至１１Ｃを参照すると、図６に示される変成器１４に関して、圧電層１６の背面によって見られる音響インピーダンスは、図１１Ａに示されるように、図３Ａに示される音響インピーダンスに比べて実質的により均一である。集積回路３０の厚さ及び相互接続層４０の厚さは、上記の設計過程を通じて調節され、次に、適切な裏当インピーダンスをもたらすために特定の厚さが選択される。

図１１Ｂは、図１１Ａに示される音響インピーダンスを有する本発明に従った送受波器に起因する周波数応答を示しており、結果として得られる送信パルスは図１１Ｃに示されている。周波数応答は、中心周波数の約８０％よりも僅かに大きい帯域幅を−３ｄＢに有し、送信インパルス応答の幅は−１０ｄＢでおおよそ１．４サイクルである。

ここで図１２Ａ乃至１２Ｃを参照すると、四分の一波モードで動作するよう設計されている場合の図６に示される変成器１４に関して、変成器は圧電層の背面で可能な限り大きな音響インピーダンスをもたらすよう設計されており、それは変成器内の層の数及びそれらの層の特性の適切な選択によって達成される。それに反して、図５及び６に示される変成器を備える送受波器に関する図１０Ａ乃至図１１Ｃ内のグラフは、半波長モードで動作する。

この実施態様のための裏当音響インピーダンスの代表的なプロットが図１２Ａに示されている。垂直方向の目盛は図９Ａ及び１０Ａ内の目盛よりも著しく増大されているが、インピーダンスの大きさは、関心のある帯域の部分に関して、この目盛さえ超過している。結果として生じ得る周波数応答及び送信パルスが、図１２Ｂ及び１２Ｃにそれぞれ示されている。周波数応答は、中心周波数の９０％を超える帯域幅を−３ｄＢに有し、送信インパルス応答の幅は−１０ｄＢでおおよそ１．２サイクルである。

よって、本発明に従った送受波器１０内の変成器１４は、集積回路、相互接続層、及び、音響活性層の厚さの制御によって、帯域幅及び中心周波数に対して、所望の周波数応答及び／又は送信パルスをもたらすよう設計され得る。変成器は、中心周波数の少なくとも７０％、８０％、又は、９０％の帯域幅を−３ｄＢに有する周波数応答、及び／又は、中心周波数の約１．６、約１．４、又は、約１．２よりも小さなサイクルの送信インパルス応答を−１０ｄＢでもたらすよう設計され得る。

集積回路３０、音響層３２，３４，３６，及び／又は，３８（及び場合によっては他の音響層）、及び、相互接続層４０を含むための変成器１４の設計及び構造は、変成器１４の頂面で見られる音響インピーダンス（それは圧電層１６の背面で見られるものと同位置である）を最適化する。

本発明に対して、従来技術の送受波器素子では、構造は高性能のために最適化されていない。何故ならば、２つの層（即ち、半導体チップ１１０及び相互接続層１１２）があるだけであり、それらの特性は設計の他の側面によって制約されるからである。例えば、ほぼ全ての集積回路がシリコンチップとして製造される。発明者は、他の音響層の追加によって、これらの制約がより大きなインピーダンス変成器の設計内に組み込まれ、よって、半導体チップ自体上の制約を無視する能力を提供し得ることに気付いた。

本発明の例示的な実施態様が添付図面を参照して本明細書において議論されたが、本発明がこれらの精密な実施態様に限定されず、多様な他の変更及び修正が本発明の範囲又は精神から逸脱することなく当業者によって達成され得ることが理解されるべきである。

従来技術の送受波器素子を示す概略図である。 他の従来技術の送受波器の幾つかの素子を示す概略図である。 Ａは、図２に示される従来技術の送受波器の裏当ブロックの生じ得る音響インピーダンスを示すグラフであり、Ｂは、図３Ａに示される音響インピーダンスを有する図２に示される従来技術の送受波器の周波数応答を示すグラフであり、Ｃは、図３Ｂに示される周波数応答を有する図２に示される従来技術の送受波器の送信パルスを示すグラフである。 本発明の方法に従って製造された送受波器の第一実施態様の幾つかの素子を示す概略図である。 本発明の方法に従って製造された送受波器の第二実施態様の幾つかの素子を示す概略図である。 本発明の方法に従って製造された送受波器の第三実施態様の幾つかの素子を示す概略図である。 本発明の方法に従って製造された送受波器の第四実施態様の幾つかの素子を示す概略図である。 本発明の方法に従って製造された送受波器の第五実施態様の幾つかの素子を示す概略図である。 本発明に従った方法におけるステップを示すフロー図である。 Ａは、図５に示される送受波器の変成器の生じ得る音響インピーダンスを示すグラフであり、Ｂは、図１０Ａに示される音響インピーダンスを有する本発明に従った送受波器の周波数応答を示すグラフであり、Ｃは、図１０Ｂに示される周波数応答を有する本発明に従った送受波器の送信パルスを示すグラフである。 Ａは、図６に示される送受波器の変成器の生じ得る音響インピーダンスを示すグラフであり、Ｂは、図１１Ａに示される音響インピーダンスを有する本発明に従った送受波器の周波数応答を示すグラフであり、Ｃは、図１１Ｂに示される周波数応答を有する本発明に従った送受波器の送信パルスを示すグラフである。 Ａは、四分の一波モードで動作可能な本発明に従った送受波器の変成器の生じ得る音響インピーダンスを示すグラフであり、Ｂは、図１２Ａに示される音響インピーダンスを有する本発明に従った送受波器の周波数応答を示すグラフであり、Ｃは、図１２Ｂに示される周波数応答を有する本発明に従った送受波器の送信パルスを示すグラフである。

Claims (28)

1. 音響活性裏当ブロックと圧電層との間に設けられ、且つ、少なくとも１つの整合層が前記圧電層上に配置された、超音波送受波器用の音響インピーダンス変成器を設計する方法であって、
   電子回路を有する基板の特性を選択するステップと、
   前記裏当ブロックと異なる少なくとも１つの音響活性層の各々の特性を選択するステップと、
   前記電子回路と前記圧電層との間に介装された相互接続層の特性を選択するステップと、
   前記変成器近傍の前記圧電層の側で音響インピーダンスを決定するステップと、
   前記変成器近傍の前記圧電層の側で所望の音響性能特徴を得るために、前記基板の特性、前記少なくとも１つの音響活性層の特性、及び、前記相互接続層の特性を変更するステップとを有し、
   前記電子回路は前記基板に関連して配置され、前記基板は前記電子回路を前記変成器の一部として有し、前記少なくとも１つの音響活性層は前記変成器の一部であり、前記相互接続層は前記変成器の一部である、
   方法。
2. 前記少なくとも１つの音響活性層は、複数の音響活性層を有し、前記変成器近傍の前記圧電層の側で所望の音響性能特徴を得るために、前記音響活性層の数を変更するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記基板の特性、少なくとも１つの音響活性層の特性、及び、相互接続層の特性を変更するステップは、コンピュータシミュレーションで遂行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つの音響活性層は、複数の音響活性層を有し、該複数の音響活性層の第一音響活性層を、前記相互接続層と前記圧電層との間に配置するステップと、前記複数の音響活性層の第二音響活性層を、前記基板と前記裏当ブロックとの間に配置するステップとをさらに有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの音響活性層は、複数の音響活性層を有し、該複数の音響活性層の少なくとも１つを、前記相互接続層と前記圧電層との間に配置するステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記基板は半導体材料からなり、前記電子回路を前記半導体材料上に組み立てるステップをさらに有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記電子回路を送受波器ケーブルに接続するための追加的相互接続層の特性を選択するステップと、
   前記変成器近傍の前記圧電層の側で前記所望の音響性能特徴を得るために、前記追加的相互接続層の特性を変更するステップと、
   をさらに有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記追加的相互接続層の特性は、前記相互接続層の種類、材料、及び、厚さを有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記基板の特性、前記少なくとも１つの音響活性層の特性、及び、前記相互接続層の特性の変更に制限を課すステップをさらに有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記課された制限は、前記基板、前記少なくとも１つの音響活性層、又は、前記相互接続層のための特定の材料に関する制限を有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記課された制限は、前記基板、前記少なくとも１つの音響活性層、又は、前記相互接続層の最小又は最大厚さに関する制限を有する、請求項９に記載の方法。
12. 前記変成器近傍の圧電層の側で前記音響インピーダンスを最適化するために、前記基板の特性、前記少なくとも１つの音響活性層の特性、及び、前記相互接続層の特性が変更される、請求項１に記載の方法。
13. 前記相互接続層の特性は、伝導性エポキシ樹脂及びフリップチップ結合からなる群から選択される前記相互接続層の種類を有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記基板の特性は、前記基板の材料及び厚さを有する、請求項１に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つの音響活性層の特性は、前記少なくとも１つの音響活性層の材料及び厚さを有する、請求項１に記載の方法。
16. 前記相互接続層の特性は、前記相互接続層の種類、材料、及び、厚さを有する、請求項１に記載の方法。
17. 前記所望の音響性能特徴は、中心周波数の少なくとも７０％、少なくとも８０％、又は、少なくとも９０％の帯域幅を−３ｄＢ地点に有する周波数応答である、請求項１に記載の方法。
18. 前記所望の音響性能特徴は、中心周波数の１．６サイクル、１．４サイクル、又は、１．２サイクルより小さい幅を−１０ｄＢ地点に有する送信インパルス応答である、請求項１に記載の方法。
19. 音響裏当ブロックと、
    該音響裏当ブロック上に配置された音響インピーダンス変成器と、
    該変成器上に配置された圧電層と、
    該圧電層上に配置された少なくとも１つの整合層とを有し、
    前記変成器は、基板と、該基板に接続されて配置された電子回路と、前記基板と前記圧電層との間に介装された、音響インピーダンスを有する相互接続層と、前記裏当ブロックと異なる少なくとも第一音響活性層とを有する、
    超音波送受波器。
20. 前記相互接続層は、前記基板と前記第一音響活性層との間に配置され、前記基板は前記裏当ブロックの近傍に配置され、前記第一音響活性層は前記圧電層近傍に配置されている、請求項１９に記載の送受波器。
21. 前記変成器は、前記第一音響活性層とは反対の前記基板の側に配置された第二音響活性層をさらに有する、請求項１９に記載の送受波器。
22. 前記変成器は、前記基板と前記裏当ブロックとの間に配置された第二及び第三音響活性層をさらに有する、請求項１９に記載の送受波器。
23. 前記第一音響活性層は前記圧電層近傍に配置され、前記相互接続層は前記基板と前記第一音響活性層との間に配置され、前記第二及び第三音響活性層は前記基板と前記裏当ブロックとの間に配置された、請求項１９に記載の送受波器。
24. 少なくとも１つの追加的音響活性層をさらに有し、前記第一音響活性層及び前記少なくとも１つの追加的音響活性層は、前記相互接続層と前記圧電層との間に配置されている、請求項２３に記載の送受波器。
25. 前記第一音響活性層は前記圧電層近傍に配置され、当該送受波器は、一次元又は二次元の配列の複数の独立した素子を有し、該素子の各々は、前記圧電層の区域と前記第一音響活性層の区域とを有する、請求項１９に記載の送受波器。
26. 当該送受波器は、曲状に配置された複数の独立した素子を有する、請求項１９に記載の送受波器。
27. 前記変成器は、中心周波数の少なくとも７０％、少なくとも８０％、又は、少なくとも９０％の帯域幅を−３ｄＢ地点に有する周波数応答を有する当該送受波器をもたらすよう設計されている、請求項１９に記載の送受波器。
28. 前記変成器は、中心周波数の１．６サイクル、１．４サイクル、１．２サイクルよりも小さい帯域幅を−１０ｄＢ地点に有する送信インパルス応答を有する当該送受波器をもたらすよう設計されている、請求項１９に記載の送受波器。

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