JP2011505766A - 電圧フィードバックを施した容量性マイクロマシン加工超音波変換器 - Google Patents

電圧フィードバックを施した容量性マイクロマシン加工超音波変換器 Download PDF

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Abstract

容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）の実装形態は、ＣＭＵＴと直列に接続されるフィードバック構成要素を含む。フィードバック構成要素は、ＣＭＵＴのキャパシタンスがＣＭＵＴの作動中に変化する際に、ＣＭＵＴに印加される電圧に影響を及ぼすために、ＣＭＵＴに印加される電圧にフィードバックを適用する。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６０／９９２，０２７号の利益を主張し、その開示全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。
容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）は、種々の用途で広く使用されている静電気アクチュエータ／変換器である。超音波変換器は、液体、固体、および気体を含む種々の媒体中で動作することができる。超音波変換器は、診断および療法のための医用撮像、生化学的撮像、材料の非破壊的評価、ソーナー、通信、近接センサ、気体流量測定、ｉｎ−ｓｉｔｕプロセス監視、超音波顕微鏡法、水中検知、水中撮像、および多くの他の実用的用途に一般的に使用されている。ＣＭＵＴの典型的な構造体は、可撓性膜上またはその中に存在する、剛性の底面電極および可動最上部電極を備える平行板キャパシタで、隣接する媒体内で音波を送信（ＴＸ）または受信／検出（ＲＸ）するために使用される。通常は感度および帯域幅を最大化することを目的として、直流（ＤＣ）バイアス電圧を電極間に印加して、ＣＭＵＴ動作に最適の位置に該膜を偏向することができる。送信中、交流（ＡＣ）信号が変換器に印加される。最上部電極と底面電極との間の交流静電力により、該膜が、ＣＭＵＴを囲む媒体に音響エネルギーを伝えるように作動される。受信中衝突する音波が膜を振動させ、それにより２つの電極の間のキャパシタンスを変化させる。
ＣＭＵＴ内の静電力は非線形であるため、２つの電極の間の分離空間が作動の間に減少すると、電極間の静電力は、典型的には膜の復元力よりも大きな比率で増加する。したがって、可動電極がある位置に変位すると（例えば、典型的には電極間隙の３分の１）、膜の復元力は、静電力の均衡を保つことができない。さらなる電圧の増加は、ＣＭＵＴの不安定性または崩壊をもたらし得る、「引き込み」現象を引き起こし得る。よって、特定の用途に十分な変位を達成するためには、２つの電極間の離隔間隙は、実際に必要とされる変位よりはるかに大きくなるように設計されなければならず、これが従来の動作においてＣＭＵＴの性能を根本的に制限し得る。
付随する図面は、説明と併せて、本明細書において企図される最良の形態の原理を示し、説明する役割を果たす。図では、参照番号の最も左の数字は、該参照番号が最初に現れる図を特定する。図面では、類似する数字は、幾つかの図を通して実質的に類似する特徴および構成要素を表す。
理論上のＣＭＵＴを含むシステムの例示的な概略モデルを示す図である。 理論上のＣＭＵＴを含むシステムの例示的な概略モデルを示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバック構成要素を備えるＣＭＵＴを含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバック構成要素を備えるＣＭＵＴを含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバック構成要素を備えるＣＭＵＴを含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴのための、例示的な方法のフローチャートを示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むプローブを備えるシステムの、例示的な実装形態を示す図である。 フィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを含むプローブを備えるシステムの、別の例示的な実装形態を示す図である。
以下の詳細な説明においては、本開示の一部を成し、制限目的ではなく、説明目的で例示的な実装形態を示す、付随する図面を参照する。さらに、本説明は、以下に説明され、図面で示されるように、種々の例示的な実装形態を提供するが、本開示は、本明細書において説明され、図示の実装形態に制限されず、当業者にとって既知である、または既知となるであろう他の実装形態にまで及び得ることに留意されたい。本明細書における「一実装形態」、「本実装形態」、または「これらの実装形態」への言及は、該実装形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実装形態に含まれることを意味し、本明細書の様々な箇所で見られるこれらの句が、必ずしも全て同一の実装形態を指しているとは限らない。さらに、該説明において、完全な開示を提供するために、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細の全てが、全ての実装形態において必要であるとは限らないことは明白である。他の状況において、周知の構造、材料、回路、プロセス、およびインターフェースは、不必要に本開示を分かりにくくしないために、詳細に説明されておらず、および／またはブロック図の形態で示されている場合がある。
本明細書で開示される実装形態は、ＣＭＵＴ、ならびに構成要素（例えば、キャパシタ、レジスタ、インダクタ等）が、ＣＭＵＴに印加される電圧にフィードバックを提供するために追加される、ＣＭＵＴを設計および動作するための方法およびシステムに関する。通常、追加される構成要素の存在により、ＣＭＵＴのキャパシタンスが増加すると、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合が減少する。したがって、追加構成要素は、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合にフィードバックを提供する。追加構成要素の存在は、電極の離隔距離を増加せずにＣＭＵＴの変位および出力電力を改善すること、ＣＭＵＴ構造体に印加される絶対電圧を減少させることによって、電気的短絡または破壊に対するデバイスの信頼性を改善すること、ならびにＣＭＵＴ構造体のキャパシタンスを増加することによって受信感度を改善することを含む、多くの利点を提供する。ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合に負のフィードバックを効率的に提供するために、追加構成要素の電気的値は、該構成要素がＣＭＵＴの動作周波数領域内でＣＭＵＴに印加される電圧に所望のフィードバックを提供することができるように、慎重に選択するべきである。実装形態は、超音波システム、変換器、プローブ等に組み込むことができる。
ＣＭＵＴ動作における課題を解決し、ＣＭＵＴの性能を改善するために、本明細書で開示される一部の実装形態は、本明細書ではフィードバックキャパシタと称される、構成要素を備える。該フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴ動作の間、特に送信モードでの（すなわち、超音波エネルギーを生成する）ＣＭＵＴの動作の間、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合にフィードバックを提供する、ＣＭＵＴと直列に配置される特別に選択されたキャパシタンスを有するキャパシタである。一部の例示的な実装形態は、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合に負のフィードバックを提供する、フィードバックキャパシタの使用に関する。例えば、一部の実装形態において、フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴ変換器と直列のキャパシタである。直列キャパシタおよびＣＭＵＴは、ＣＭＵＴのキャパシタンスの増加により、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合が減少するように、分圧器を形成し得る。したがって、直列キャパシタは、ＣＭＵＴに印加される電圧に、予測可能なレベルの負のフィードバックを提供するように選択されるキャパシタンスを有する。該フィードバックキャパシタは、膜の変位、ならびにキャパシタンスが増加すると、ＣＭＵＴに印加される入力電圧の割合を減少させるため、ＣＭＵＴは、従来の引き込み現象によって設定される制限を超えて動作することができる。したがって、本明細書で開示される動作方法および実装形態のＣＭＵＴの最大変位は（例えば、フィードバックキャパシタと直列の）、従来の動作における同一ＣＭＵＴのものより大きくてもよく（追加のフィードバックキャパシタなしで）、あるいは電極を分離する空間は、従来の動作における電極のより大きな離隔距離を伴うＣＭＵＴと同じ最大変位を達成するために、実質的により小さくなるように設計してもよい。
一部の実装形態において、効率的なフィードバックを提供するために、フィードバックキャパシタのキャパシタンスは、入力電圧をＣＭＵＴとフィードバックキャパシタとの間で有意義に分配することができるように、ＣＭＵＴのキャパシタンスと同等である。一部の実装形態において、フィードバックキャパシタのキャパシタンスは、ＣＭＵＴのキャパシタンスに基づいて、規定の範囲内である。さらに、一部の実装形態において、フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴ送信（ＴＸ）動作の間のみ機能するように構成することができる。さらに、一部の実装形態において、フィードバックキャパシタを有するＣＭＵＴにバイアス電圧を印加することができる。一部の実装形態において、ＲＸ動作時のみ、ＣＭＵＴにバイアス電圧を印加することができる。さらに、一部の実装形態において、フィードバックキャパシタを有するＣＭＵＴと接続されるバイアス回路において、減結合キャパシタを使用することもできる。
指定値を伴う他の電子的構成要素（例えば、レジスタ、インダクタ等）を、一部の実装形態において使用されるフィードバックキャパシタの代わりに使用して、ＣＭＵＴに印加される電圧にフィードバックを提供することができる。しかしながら、フィードバックキャパシタとは異なり、他の電子的構成要素によって提供されるフィードバックは、周波数に依存する場合があり、一部の用途では望ましくない場合がある。したがって、周波数に依存しないフィードバックキャパシタを使用して、本明細書で開示される多くの実装形態を示すが、ＣＭＵＴ動作におけるフィードバック機能を提供する他の構成要素を使用する実装形態も、本開示の範囲内であることに留意されたい。
図１Ａは、本明細書で開示される例示的な実装形態の原理を示すために、送信動作中の理論上のＣＭＵＴ１００の概略モデルを含む、例示的なシステム１０１を示す。ＣＭＵＴ１００は、固定電極１１０と、可動電極１１２と、等価バネ１１４と、バネアンカー１１６とを備える。最上部電極および底面電極は、本実装形態において送信入力電圧（ＶTX）を受信する第１のポート１２０と、本実装形態において接地（ＧＮＤ）として機能する第２のポート１２２とを含む、インターフェース回路に接続することができる。通常第１のポート１２０は、ＣＭＵＴシステムのフロント回路（図示せず）に接続される。ＣＭＵＴのフロント回路は、ＣＭＵＴ１００に作動信号（ＶTX）を印加するか、ＣＭＵＴ１００からの受信信号を検出するかのいずれかである。ＣＭＵＴ１００は、電極離隔間隙「ｇ」１３０を伴って設計され、これは、ＣＭＵＴ１００が送電電圧または外部の音響エネルギーによって作動されない元の位置にある時には、可動電極１１２と固定電極１１０との間に存在する空間である。例えば、ＣＭＵＴ１００が第１のポート１２０に印加される電圧によって作動される時には、可動電極１１２は、可動電極１１２と固定電極１１０との間の静電力によって、特定の変位位置ｘ１３２まで固定電極１１０の方へ変位する。電圧が、可動電極１１２を固定電極１１０の方へ変位するように印加される時には、バネ１１４（または等価構造体）が復元力を提供して、可動電極１１２をその元の位置に戻す。
しかしながら、ＣＭＵＴ内の静電力は非線形であるため、該静電力は、２つの電極間の離隔距離が小さくなると、バネ１１４の復元力より速く増加し得る。結果、特定の最大変位Ｘｍ１３４において、バネ１１４の復元力は、可動電極１１２と固定電極１１０との間の静電力に打ち勝つことができない。この最大変位点Ｘｍ１３４に到達すると、さらなる電圧の増加は、可動電極１１２の固定電極１１０上での崩壊を来たし得る。したがって、可動電極の変位ｘ１３２は、通常のＣＭＵＴ動作のために、Ｘｍ１３４よりも小さくあるように制御される必要がある。典型的には、最大設計変位Ｘｍ１３４は、電極離隔間隙ｇ１３０よりもはるかに小さい。例えば、静的作動中の理想的な平行板ＣＭＵＴについて、Ｘｍ１３４は、典型的には離隔間隙ｇ１３０の約３分の１であり得る。したがって、従来の設計では、特定の用途にとって十分な変位を達成するために、固定電極と可動電極との間の離隔間隙ｇ１３０は、所望の量の音響エネルギーを生成するために実際に必要とされる、変位ｘ１３２よりもはるかに大きくなるように、設計される必要がある。
図１Ｂは、図１ＡのＣＭＵＴ１００の等価回路として、システム１０１を示す。ＣＭＵＴ１００は、本実装形態では可変キャパシタとして符号で表される。ＣＭＵＴ１００のキャパシタンスは、１／ｇに比例する。図示の実装形態では、入力電圧ＶTXの全てをＣＭＵＴ１００に印加することができる。
可動電極１１２は、通常動作中は、Ｘｍ１３４より小さい変位であるｘ１３２を有するため、図１ＡのＣＭＵＴ１００は、図１Ｂにも示すように、Ｘｍ１３４に固定される仮想浮動電極１１１を挿入することによって、概念的に２つの部分に分離することができる。したがって、可動電極１１２および浮動電極１１１は、別の可変キャパシタ２００を形成し（図２Ａのシステム２０１に示す）、浮動電極１１１および固定キャパシタ１１０は、定数キャパシタ２４０を形成する（図２Ａに示す）。本明細書で開示されるように、図１Ｂおよび図２Ａの回路は、同一の電気および音響特性を有し得る。図２Ｂは、図２Ａのシステム２０１の、例示的な実装形態の概略モデルを示す。キャパシタ２４０を有するＣＭＵＴ２００は、直列に接続される。しかしながら、図２Ａ〜２ＢのＣＭＵＴ２００の初期キャパシタンスは、図１Ａ〜１ＢのＣＭＵＴ１００の初期キャパシタンスのｇ／Ｘｍ倍であり、図２Ａ〜２Ｂのキャパシタ２４０のキャパシタンスは、図１Ａ〜１ＢのＣＭＵＴ１００の初期キャパシタンスのｇ／（ｇ−Ｘｍ）倍である。したがって、ＣＭＵＴ２００およびキャパシタ２４０の両方のキャパシタンスは、ＣＭＵＴ１００のものよりも大きく、図２Ａ〜２Ｂの２つの直列キャパシタ（すなわち、ＣＭＵＴ２００およびキャパシタ２４０）の総初期キャパシタンスは、図ＩＡ〜ＩＢのＣＭＵＴ１００の初期キャパシタンスと同一である。
図１Ａ〜１Ｂおよび図２Ａ〜２Ｂの回路または概略モデルの音響および機械的特性は同一であるため、図２Ａ〜２ＢのＣＭＵＴ２００では、理想的には、可動電極１１２は、ＣＭＵＴ２００の電極離隔距離ｇ２３０全体と同一である、最大変位Ｘｍを有することができる。したがって、直列に接続される適切なキャパシタ２４０を備えるＣＭＵＴ２００の電極離隔距離上の相対変位は、直列のキャパシタを備えない同一ＣＭＵＴのものよりはるかに大きくなることができる。これは、フィードバックキャパシタ２４０（以下「ＣF」と称されるキャパシタンスを有する）が、ＣＭＵＴ２００に印加される入力電圧の割合にフィードバックを提供するためである。図１Ａ〜１Ｂでは、全ての入力電圧ＶTXがＣＭＵＴ１００に印加される。しかしながら、図２Ａ〜２Ｂでは、入力電圧（ＶA）の一部のみがＣＭＵＴに印加され、入力電圧（ＶB）の残りはフィードバックキャパシタに印加される、すなわち、ＶTX＝ＶA＋ＶBである。キャパシタ２４０およびＣＭＵＴ２００は、一緒になって、ＣＭＵＴ２００のキャパシタンスならびに変位の増加によりＣＭＵＴ２００に印加される電圧の割合が減少するように、分圧器を形成し、したがって、キャパシタ２４０は、ＣＭＵＴ２００に印加される電圧に負のフィードバックを提供する。したがって、キャパシタ２４０と直列に接続されると、ＣＭＵＴ２００は、通常動作中のＣＭＵＴ（すなわち、直列フィードバックキャパシタを備えない）内の引き込み現象によって設定される制限をはるかに超えて、安定して動作することができる。
さらに、図２Ａ〜２Ｂの実装形態では、ＣＭＵＴ２００のＣＭＵＴキャパシタンスは、可動電極１１２の同一変位ｘ２３２を達成するために、図１の理論上のモデルであるＣＭＵＴ１００のキャパシタンスより実質的に大きい。より大きなＣＭＵＴキャパシタンスは、例えば、ＣＭＵＴが、音響エネルギーの検出／受信のために検出／受信モードで使用される時に、ＣＭＵＴの性能を改善するために望ましい。
本明細書で開示される実装形態において、キャパシタ２４０は、定数キャパシタンスを有する任意の種類のキャパシタであり得る。例えば、キャパシタ２４０は、最上部電極および底面電極として金属またはシリコンを使用、ならびに誘電材料として窒化物または酸化物を使用する等により、ＣＭＵＴ基板上に直接製造することができる。代替として、キャパシタ２４０は、本明細書に記載される原理および技法に従って設計されるＣＭＵＴ変換器に接続される、個別のキャパシタ構成要素であってもよい。
図３は、前述の原理を組み込む、ＣＭＵＴ３００およびフィードバックキャパシタ３４０を含むシステム３０１の、例示的な実装形態を示す。ＣＭＵＴ３００の基本構造体は、可撓性バネ要素３１４の上、またはその中、またはその一部として存在する、剛性の第１の電極３１０および第２の電極３１２を有する、可撓性膜製の容量性マイクロマシン加工変換器であり、該バネ要素は、電圧が印加されると、第２の電極３１２が第１の電極３１０の方へ移動し、次いで第２の電極３１２が元の位置に戻るのを可能にするためのバネとして機能する、可撓性膜または他の構造体であり得る。バネ要素３１４および第２の電極３１２は、支持アンカー３１６によって第１の電極３１０から分離され、変換離隔間隙ｇ３３０を形成する。ＣＭＵＴ３００を使用して、可撓性膜３１４の偏向を介して隣接する媒体中に音波を送信（ＴＸ）または検出（ＲＸ）することができる。例えば送信中、第１のポート１２０を介してＡＣ信号がＣＭＵＴ３００に印加される。第１の電極３１０と第２の電極３１２との間の交流静電力が、音響エネルギーをＣＭＵＴ３００を囲む媒体に供給するために、膜３１４を作動する。同様に、受信中、衝突する音波が膜３１４を振動させ、これにより２つの電極３１０と３１２との間の実効キャパシタンスを変化させ、電子回路（図示せず）が、ＣＭＵＴをセンサとして使用するために、このキャパシタンス変化を検出および測定する。
図３の例示的なＣＭＵＴ３００は、電極３１０または３１２のうちの１つと直列に接続される、フィードバックキャパシタ３４０を含む。フィードバックキャパシタ３４０は、好ましくは、後述する範囲内等の、ＣＭＵＴ３００の実効キャパシタンスＣCとほぼ同等またはそれ未満であるキャパシタンスを有する。ＣＭＵＴ３００と直列のフィードバックキャパシタ３４０を含むことにより、依然として同様の最大変位を達成しながら、離隔間隙３３０を、フィードバックキャパシタ３４０を備えないＣＭＵＴにおいて必要とされるであろう大きさの２分の１から３分の１未満であるように、設計することが可能であり得る。フィードバックキャパシタ３４０は、第１の電極３１０または第２の電極３１２のうちの１つと同一ＣＭＵＴ基板上に直接製造してもよく、または代替として、キャパシタ３４０を、個別のキャパシタ構成要素としてＣＭＵＴ３００に接続してもよい。
図４は、直列に接続されるフィードバックキャパシタ４４０を備えるＣＭＵＴ４００を含む、例示的なシステム４０１の別の実装形態を示す。ＣＭＵＴ４００は、第１の電極４１０および第２の電極４１２を含む。ＣＭＵＴ４００は、内蔵バネ要素４１４を含み、該内蔵バネ要素は、第２の電極４１２が第１の電極４１０の方に移動し、次いで元の位置に跳ね返るのを可能にするためのバネとして機能する、可撓性膜または他の構造体であり得る。さらに、バネ要素４１４は、導電性であり、第１の電極４１０の一部であり得る。変換離隔間隙ｇ４３０を形成するように、支持体４１６によってバネ要素４１４から第２の電極４１２を浮き上げることができる。ＣＭＵＴ４００は、ＣＭＵＴ３００について上述したものと同様の様態で動作することができる。
図４の例示的なＣＭＵＴ４００は、電極４１０または４１２のうちの１つと直列に接続されるフィードバックキャパシタ４４０を含む。フィードバックキャパシタ４４０は、好ましくは、後述する範囲内等の、ＣＭＵＴ４００の実効キャパシタンスＣCとほぼ同等またはそれ未満であるキャパシタンスを有する。ＣＭＵＴ４００と直列のキャパシタ４４０を含むことにより、依然として同様の最大変位を達成しながら、離隔間隙４３０を、通常動作中にＣＭＵＴにおいて必要とされるであろう大きさの２分の１から３分の１未満であるように、設計することができる。キャパシタ４４０は、第１の電極４１０または第２の電極４１２のうちの１つと同一ＣＭＵＴ基板上に直接製造してもよく、または代替として、キャパシタ４４０を、個別のキャパシタ構成要素としてＣＭＵＴ４００に接続してもよい。
図５Ａは、一部の実装形態に従うＣＭＵＴ５００を含むシステム５０１の基本構成を描写する略図である。キャパシタンスＣFを有するフィードバックキャパシタ５４０が、キャパシタンスＣCを有するＣＭＵＴ５００と直列に接続される。第２のポート１２２は、ＧＮＤまたはバイアス源に接続される。第１のポート１２０は、ＣＭＵＴシステムのフロント回路（図示せず）に接続される。ＣＭＵＴのフロント回路は、直列のフィードバックキャパシタ５４０を備えるＣＭＵＴ５００に作動信号（ＶIN）を印加するか、またはＣＭＵＴ５００からの受信信号を検出するかのいずれかである。通常、フィードバックキャパシタを使用する実装形態は、ＣＭＵＴの検出／受信動作よりも、送信動作においてより多くの利点を提供するため、送信動作を使用して、図５Ａの実装形態を示す。この場合、入力電圧ＶINは、送信信号ＶTXである。送信信号ＶTXからＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAは、ＶA＝ＶTX−ＶB＝ＶTX（１＋（ＣC／ＣF））-1として得ることができる。特定の印加される入力信号ＶTXについて、ＣＭＵＴに印加される電圧ＶAは、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCが増加するにつれて減少する。したがって、直列キャパシタ５４０は、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAに負のフィードバックを提供する。
フィードバックキャパシタ５４０によって提供されるフィードバックの効率は、ＣC／ＣFの比率に依存する。したがって、直列キャパシタ５４０のキャパシタンスは、ＣＭＵＴ５００に印加される入力電圧への所望のフィードバックを達成するように、適切に選択される必要がある。適切に選択されたフィードバックキャパシタを備える一部の実装形態では、ＣＭＵＴ５００に印加される入力電圧へのフィードバックは、ＣＭＵＴ動作範囲を、通常のＣＭＵＴ動作における引き込み現象によって制限されるものを超えて拡大することができる。結果として、キャパシタンスＣFを有するフィードバックキャパシタ５４０を備えるＣＭＵＴ５００は、本明細書で開示される実装形態に従う、所定の変換空間内で、通常動作中の同一ＣＭＵＴ（フィードバックキャパシタを備えない）よりも大きな変位を達成することができる。例えば、理想的な平行板キャパシタンス配列を有するＣＭＵＴモデルにおいて、フィードバックキャパシタが、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCの２分の１であるキャパシタンスＣFを有するように選択される場合、引き込み現象はなく、ＣＭＵＴの最大変位Ｘｍは、図２Ａおよび２Ｂを参照して前述したように、ＣＭＵＴの電極離隔距離ｇと同一であり得る。これによって、通常のＣＭＵＴ動作用に設計されるものと同一の変位を達成する、実質的により大きなキャパシタンスを有するＣＭＵＴか、または通常のＣＭＵＴ動作用に設計されるものと同一キャパシタンスのための、実質的により大きな変位を有するＣＭＵＴを設計することが可能になる。
前述のように、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAと、フィードバックキャパシタ５４０に印加される電圧ＶBとの合計は、印加される送電電圧ＶTXに等しい、すなわち、ＶTX＝ＶA＋ＶBである。一部の実装形態において、ＶBは、ＶAと同等であるか、またはＶAよりもさらに大きい。したがって、本明細書で開示されるＣＭＵＴ構造体に印加される電圧（ＶA）は、通常動作におけるＣＭＵＴ構造体に印加される電圧（ＶTX）よりも小さい。本明細書で開示されるＣＭＵＴの実装形態が、超音波プローブ等の超音波システム内に実装される時に、より小さい電圧をＣＭＵＴに印加することから達成される幾つかの利点がある。第一に、一部の実装形態において、ＣＭＵＴのキャパシタンスを、好適なフィードバックキャパシタを備えずに、同等の変位を有するＣＭＵＴのものよりも大きくなるように設計することができる。したがって、本明細書におけるＣＭＵＴのキャパシタンスＣCを増加させることにより、ＣＭＵＴの受信性能を改善することができる。また、典型的には、通常動作では（直列フィードバックキャパシタを備えない）、送電電圧ＶTX全体がＣＭＵＴに印加される。しかし、本明細書で開示される実装形態では、全電圧の一部のみ（例えば、ＶA＜ＶTX）がＣＭＵＴに印加され、残りの電圧（電圧ＶB）は、フィードバックキャパシタに印加される。これは、ＣＭＵＴが、超音波を媒体に放出するか、または媒体から超音波を受信するために、電圧に敏感な位置に配置される必要がある超音波変換器として機能する一部の実装形態に対して、第２の利点を提供する。フィードバックキャパシタ５４０は、ＣＭＵＴ５００と直列であるいずれの場所にも位置し得るため、ＣＭＵＴ自体に印加される電圧の量を減少することができ、これは、変換器の近傍で高電圧が好ましくない用途にとって有益であり得る。
したがって、本明細書で開示されるＣＭＵＴに印加される電圧（ＶA）は、フィードバックキャパシタを組み込まないＣＭＵＴに印加される電圧（ＶTX）より、両者が同一超音波力を放出する時には、はるかに低くなり得る。本明細書で開示される実装形態のＣＭＵＴに印加される電圧ＶAは、はるかに低いため、これは、前述のＣＭＵＴにおける静電破壊の課題に対して有益である。さらに、本明細書で開示されるフィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴに印加されるより低い電圧は、２つの電極が崩壊する時に絶縁破壊を防止するための、ＣＭＵＴ内のより薄い絶縁層を可能にする。理想的には、絶縁層は、一部の実装形態では必要でない場合がある。これは、絶縁層における誘電帯電が最小限に抑えられるか、または完全に排除されるため、ＣＭＵＴの信頼性を改善する。したがって、本明細書で開示されるＣＭＵＴ（直列フィードバックキャパシタを備える）は、はるかに優れた信頼性を有する。
一部の実装形態において、直列キャパシタを使用して、ＣＭＵＴに印加される電圧への所望のフィードバックを提供するために、フィードバックキャパシタのキャパシタンスＣFは、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCと同等、例えば、同一桁数内であるべきである。例えば、フィードバックキャパシタのキャパシタンスＣFを、０．１ＣC〜３ＣC（すなわち、ＣCの１０〜３００パーセントの間）の範囲内となるように設計することができ、ＣCは、ＣＭＵＴの実効基準キャパシタンス、あるいはより正確には、送電電圧ＶTXの入力によってキャパシタンスに変化が生じる前に、ＣＭＵＴが送信動作に設定される時の、ＣＭＵＴのキャパシタンスを表す。さらに、一部の例示的な実装形態において、フィードバックキャパシタのキャパシタンスＣFを、最適動作のために、０．３ＣC〜１ＣC（すなわち、ＣCの３０〜１００パーセントの間）内となるように設計することができる。さらに、一部の実装形態において、キャパシタンスＣCは、特定の実際的な装置またはＣＭＵＴ構造体自体内に存在する寄生キャパシタンスがある場合は、ＣＭＵＴキャパシタンスおよび任意の寄生キャパシタンスの両方を含み得る。
キャパシタの使用に加えて、他の好適に構成される電子的構成要素、例えば、レジスタ、インダクタ等を、図５Ａのフィードバックキャパシタ５４０の代わりに使用して、ＣＭＵＴ５００に印加される入力電圧への所望のフィードバックを達成することができる。キャパシタ以外の構成要素のフィードバックは周波数に依存するため、電子的構成要素の値は、ＣＭＵＴ５００の動作周波数で、所望のフィードバックキャパシタンスＣFのものと類似する電気インピーダンスＩFを有するように選択することができる。
図５Ｂは、ＣＭＵＴ５００と直列に接続されるフィードバックレジスタ５４２を備える、ＣＭＵＴ５００を含むシステム５０１ｂを示す。フィードバックレジスタ５４２は、ＣＭＵＴ５００の２つの電極のうちの１つと接続され、選択した抵抗ＲFを有する。第２のポート１２２は、ＧＮＤまたはバイアス源に接続される。第１のポート１２０は、ＣＭＵＴのフロント回路（図示せず）に接続される。ＣＭＵＴのフロント回路は、直列のフィードバックレジスタ５４２を備えるＣＭＵＴ５００に作動信号（ＶIN）を印加するか、あるいはＣＭＵＴ５００からの受信信号を検出するかのいずれかである。送信信号ＶINからＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAは、
ＶΛ＝Ｖin−ＶB＝Ｖin（１＋ｊωCＲFＣC）-1として求めることができ、式中、ｊは虚数単位であり、ωCは、ＣＭＵＴの動作周波数である。特定の印加される入力信号ＶINについて、ＣＭＵＴに印加される電圧ＶAは、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCが増加すると、減少する。したがって、適切に選択した抵抗ＲFを有する直列レジスタ５４２は、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAに負のフィードバックを提供する。
フィードバックレジスタ５４２によって提供されるフィードバックの効率は、ｊωCＲFＣCのフィードバック係数に依存する。前述のフィードバックキャパシタの使用とは異なり、フィードバックレジスタを使用するフィードバック係数は、ＣＭＵＴの動作周波数ωCの関数である。また、フィードバック係数は虚数であるため、ＣＭＵＴに印加される電圧（ＶA）と入力電圧（ＶIN）との間に位相差が存在することも注目に値する。この位相差により、ＣＭＵＴ５００へのレジスタ５４２のフィードバックが、ＣＭＵＴの変位に対する減衰効果として機能するようになる。したがって、フィードバックレジスタ５４２を備えるＣＭＵＴは、通常動作中のＣＭＵＴより良好な帯域幅を有し得る。故に、本手法は、媒体として空気中で動作するＣＭＵＴの帯域幅を広げるために特に有用である。したがって、直列レジスタ５４２の抵抗ＲFは、動作周波数領域内のＣＭＵＴにおいて、ＣＭＵＴ５００に印加される入力電圧への所望のフィードバックを達成するように、適切に選択する必要がある。例えば、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧（ＶA）へのフィードバックキャパシタ５４０と同様の絶対的なフィードバック効果を達成するために、フィードバックレジスタ５４２は、ＣＭＵＴ５００の所定の動作周波数（ωC）に基づく、ＣＭＵＴ５００のインピーダンスＺF＝１／ｊωCＣCと同じ桁数である、インピーダンスＺF＝ＲFを有する。例えば、レジスタ５４２のインピーダンスは、所定の動作周波数でのＣＭＵＴ５００のインピーダンスの５０〜３００パーセントの間であり得る。
さらに、図５Ｃは、ＣＭＵＴ５００と直列に接続されるフィードバックインダクタ５４４を有するＣＭＵＴ５００を含む、システム５０１ｃを示す。フィードバックインダクタ５４４は、ＣＭＵＴ５００の２つの電極のうちの１つに接続される。第２のポート１２２は、ＧＮＤまたはバイアス源に接続される。第１のポート１２０は、ＣＭＵＴのフロント回路（図示せず）に接続される。ＣＭＵＴのフロント回路は、直列のフィードバックインダクタを備えるＣＭＵＴ５００へ作動信号（ＶIN）を印加するか、またはＣＭＵＴ５００からの受信信号を検出するかのいずれかである。送信信号ＶINからＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAは、
ＶA＝Ｖin−ＶB＝Ｖin（１＋（−ωc 2ＬFＣC））-1として得ることができる。印加される入力信号ＶINについて、ＣＭＵＴに印加される電圧ＶAの割合は、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCが増加するにつれて増加する。したがって、直列インダクタ５４４は、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧ＶAに正のフィードバックを提供する。
フィードバックインダクタ５４４によって提供されるフィードバックの効率は、−ωC 2ＬFＣCのフィードバック係数に依存する。前述のフィードバックキャパシタの使用とは異なり、フィードバックインダクタ５４４を使用するフィードバック係数は、周波数ωCの強関数である。また、フィードバック係数が負であるために、インダクタが正のフィードバックを提供することも、注目に値する。したがって、ＣＭＵＴに印加される電圧（ＶA）は、入力電圧（ＶIN）よりも大きくなり得る。直列インダクタを備えるＣＭＵＴは、より狭い帯域幅を有し得る。そのためこれは、複数のパルスを有する信号が必要とされる用途、例えば、高密度焦点式超音波療法（ＨＩＦＵ）に有用であり得る。直列インダクタ５４４のインダクタンスＬFは、動作周波数領域内のＣＭＵＴにおいて、ＣＭＵＴ５００に印加される入力電圧への所望のフィードバックを達成するように、適切に選択する必要がある。例えば、ＣＭＵＴ５００に印加される電圧（ＶA）への、インダクタンスＬFを有するフィードバックインダクタ５４４のように効果的なフィードバック効果を達成するために、フィードバックインダクタ５４４は、ＣＭＵＴ５００の所定の動作周波数（ωC）に基づき、ＣＭＵＴ５００のインピーダンスＺF＝１／ｊωCＣCと同じ桁数である、インピーダンスＺF＝１／ｊωCＬFを有する。例えば、インダクタ５４４のインピーダンスＺFは、所定の動作周波数でのＣＭＵＴ５００のインピーダンスの５０〜３００パーセントの間であり得る。
以下の説明および関連する図面では、フィードバックキャパシタを使用して、本明細書で開示される種々の実装形態を示すが、前述の考察を考慮に入れて、同一実装形態において、前述のフィードバックレジスタおよびフィードバックインダクタ等の他のフィードバック構成要素を使用することができる。
図６は、本明細書において記載される実装形態に従う、フィードバックキャパシタを含むＣＭＵＴのための例示的な方法の、フローチャート６００を示す。さらに、本方法は完全に例示的であり、本発明は、いずれの特定の方法にも限定されないことに留意されたい。
ブロック６０１：一部の実装形態において、指定の電圧がＣＭＵＴに印加される時に所定の量の音響エネルギーを生成するように、第１の電極に向かう第２の電極の所望の設計変位ｘを最初に決定する必要がある。
ブロック６０２：所望の変位ｘが決定されると、前述のように、指定の送電電圧に基づいて、ＣＭＵＴの第１の電極と第２の電極との間に存在するキャパシタンスＣCを決定することができる。
ブロック６０３：ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCが決定された後、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCに基づいて、フィードバックキャパシタを選択することができる。前述したように、一部の実装形態では、フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣC未満、またはそれとほぼ同等であるキャパシタンスＣFを有する。他の実装形態において、フィードバックキャパシタは、上で挙げた特定の範囲内、すなわち、キャパシタンスＣCの３０〜１００パーセントの間、またはキャパシタンスＣCの１０〜３００パーセントの間で選択される。
ブロック６０４：フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴと直列に配置される。
ブロック６０５：送電電圧がＣＭＵＴおよびフィードバックキャパシタに印加され、ＣＭＵＴを作動する。送電電圧は、第２の電極を、第１の電極の方へ移動させ、および第１の電極から離れるように移動させて、超音波エネルギーを生成する。フィードバックキャパシタは、ＣＭＵＴのキャパシタンスＣCがＣＭＵＴの作動中に増加すると、ＣＭＵＴに印加される送電電圧の割合が減少するように、およびその逆であり得るように、ＣＭＵＴに印加される電圧にフィードバックを適用する。
図７〜１３は、図５に示す基本構成の、ＣＭＵＴの異なる動作方法および構成でのより詳細な実装形態を示す。図７は、フィードバックキャパシタ７４０と直列に接続されるＣＭＵＴ７００を含むシステム７０１の、実装形態を示す。第２のポート１２２は、ＧＮＤまたはバイアス源に接続される。第１のポート１２０は、ＣＭＵＴシステムのフロント回路（図示せず）に接続される。ＣＭＵＴのフロント回路は、ＣＭＵＴ７００に作動信号を印加するか、ＣＭＵＴ７００からの受信信号を検出するかのいずれかである。スイッチ７６０を使用して、ＣＭＵＴ７００の動作の特定の期間中等に、フィードバックキャパシタ７４０を短絡させることができる。例えば、スイッチ７６０は、送信（ＴＸ）動作中に開放し、受信（ＲＸ）動作中に閉鎖して回路を短絡させ、それにより、フィードバックキャパシタ７４０を、超音波エネルギーの送信中は作動状態にし、超音波エネルギーの受信中は非作動状態にすることができる。受信動作中、検出信号を駆動するためにより大きなＣＭＵＴキャパシタンスが所望されるため、フィードバックキャパシタンスは、全体のキャパシタンスを増加させるために、短絡されることが所望される。さらに、前述および後述の他の例示的な構成において、スイッチ７６０が図示されていなくても、所望の場合は、かかるスイッチを、それらの実装形態のうちのいずれにおいても追加することができる。図７に示すスイッチは、実際のスイッチまたはスイッチ回路であってよく、ＣＭＵＴ７００の特定の動作（例えばＴＸまたはＲＸ動作）において、フィードバックキャパシタ７４０を含むか、または除外するためにスイッチのように機能する、任意の回路または機能ボックスであってもよい。
図８は、フィードバックキャパシタ８４０と直列に接続されるＣＭＵＴ８００を含むシステム８０１の、実装形態を示す。本実装形態では、ＣＭＵＴ８００が、抵抗ＲBiasを有するバイアスレジスタ８２６を含むバイアス回路８５０を介して、第３のポート８２４でバイアス用電圧ＶBiasを受信することを前提とする。通常、バイアスレジスタの抵抗は、ＣＭＵＴのインピーダンスよりはるかに大きい。そのため、バイアスレジスタ、ならびに後で取り入れる減結合キャパシタの存在は、ＣＭＵＴの動作周波数でのＣＭＵＴ動作に最小限の影響しか及ぼさない。しばしば、電気的浮動動作点／ポートは、音響信号を受信するための検出／受信モードにある時等に、安定した動作を達成するために、所望の信号源へバイアスされるべきである。図８の実装形態では、ＣＭＵＴ８００とフィードバックキャパシタ８４０との間に電気的浮動点があり、そのため、ＣＭＵＴ８００は、第３のポート８２４でバイアス源ＶBiasによってバイアスされ得る。一部の実装形態において、バイアス源は、ＤＣ電圧源、接地、または任意の他の信号源であり得る。図８の実装形態では、ＴＸ／ＲＸスイッチ８６０は、送信モードと受信／検出モードを切り替えるための第１のポート１２０に含まれる。したがって、スイッチ８６０がＴＸ入力端子８２７に切り替わる時には、送電電圧ＶTXをＣＭＵＴ８００に送ることができる。代替として、スイッチ８６０がＲＸ出力端子８２８に切り替わる時には、超音波エネルギーを受信または検出した結果、ＣＭＵＴ８００によって生成される出力電流を、測定回路等（図示せず）に送ることができる。
本明細書で開示される一部の実装形態に使用され得る、種々のバイアス方法が存在する。本明細書で開示される実装形態および構成におけるＴＸ／ＲＸスイッチ８６０は、送信（ＴＸ）動作と受信（ＲＸ）動作との間でスイッチのように機能する、任意の回路または機能ボックスであり得る。例えば、ＴＸ／ＲＸスイッチ８６０は、実際の物理的なスイッチであってよく、送信動作中の受信の前置増幅のための保護回路、または同一機能を行う何らかの他の配列であってもよい。
図８は、ＣＭＵＴ８００およびフィードバックキャパシタ８４０にバイアスをかけるための例示的な方法を示す。ＣＭＵＴ８００に印加されるバイアス電圧ＶBiasは、バイアスレジスタ８２６を介して伝えることができる。フィードバックキャパシタ８４０は、前述のフィードバック機能を行うことができ、フィードバックキャパシタ８４０に加えてＤＣ減結合キャパシタが必要とされないように、一部の実装形態においてＤＣ減結合機能を実行することもできる。さらに、本明細書に記載される全ての構成について、適切なバイアスを印加するために使用される、ＲBiasを有するバイアスレジスタを、スイッチと置き換えることができる。
図８の実装形態では、フィードバックキャパシタ８４０およびバイアス電圧ＶBiasの両方が、ＣＭＵＴ８００とＴＸ／ＲＸスイッチ８６０との間に配置される。しかし、図９はシステム９０１の代替実装形態を示し、ここでは、ＣＭＵＴ９００は、第３のポート８２４およびバイアス回路８５０を介してバイアス電圧ＶBiasを受信し、フィードバックキャパシタ９４０は、ＴＸ動作中、フィードバックキャパシタ９４０のみが機能するように、入力端子８２７でＴＸ／ＲＸスイッチ８６０の反対側に位置する。
図１０は、ＣＭＵＴ１０００を含むシステム１００１の別の実装形態を示し、ここではＶBiasを提供するバイアス回路８５０が、出力端子８２８でやはりＴＸ／ＲＸスイッチ８６０の反対側に位置し、その結果、ＶBias８２４はＲＸ動作モード中のみ機能し、フィードバックキャパシタ１０４０は送信モード中のみ機能する。
さらに、図８の実装形態では、フィードバックキャパシタ８４０は、ＣＭＵＴ８００とＴＸ／ＲＸスイッチ８６０との間に配置される。この構成では、ＣＭＵＴの動作点は、バイアス電圧のみによって決定される。しかし、他の実装形態では、図１１に示すように、フィードバックキャパシタをＣＭＵＴの反対側に配置することができる。図１１では、フィードバックキャパシタ１１４０およびバイアス回路８５０を含むシステム１１０１は、ＣＭＵＴ１１００と、本実装形態において接地としても機能する第２のポート１２２との間に位置する。図１１のＣＭＵＴ１１００の動作点は、バイアス電圧ＶBiasのみによって、あるいは、スイッチ８６０がＴＸ入力端子８２７と接触する時には、バイアス電圧ＶBiasおよび送信（ＴＸ）入力信号電圧ＶTXの両方によって決定することができる。
また、図９の実装形態では、バイアス回路８５０は、ＣＭＵＴ９００とＴＸ／ＲＸスイッチ８６０との間に配置される。しかし、図１２に示すように、バイアス電圧ＶBiasも、ＣＭＵＴの反対側に配置することができる。図１２は、ＣＭＵＴ１２００が第２のポート１２２を介してバイアス電圧源に直接接続され、送信モード中、フィードバックキャパシタ１２４０のみが接続される、システム１２０１の実装形態を示す。
図１３は、２つのバイアス回路１３５０、１３５１が、それぞれ、ＣＭＵＴ１３００の両側に配置される、システム１３０１の実装形態を示す。電圧ＶBias1を有する第１のバイアス回路１３５０は、第３のポート１３２４に設けられ、ＣＭＵＴ１３００とフィードバックキャパシタ１３４０との間に印加される抵抗ＲBias1を有する第１のバイアスレジスタ１３２６を介して印加される。電圧ＶBias2を有する第２のバイアス回路１３５１は、第４のポート１３２５に設けられ、ＣＭＵＴ１３００の反対側に印加される抵抗ＲBias2を有する第２のバイアスレジスタ１３２７を介して印加される。さらに、減結合キャパシタ１３９０を、ＣＭＵＴ１３００と第２のポート１２２との間のＣＭＵＴ１３００のこの側に含むことができる。したがって、図１３の実装形態は、フィードバックキャパシタ１３４０に加えて、ＣＭＵＴ１３００と直列の減結合キャパシタ１３９０を含む。例えば、減結合キャパシタ１３９０は、典型的にはＣＭＵＴ１３００のキャパシタンスＣCよりはるかに大きくなるように（すなわち、ＣD＞＞ＣCとなるように一桁を超えて）選択される、キャパシタンスＣDを有する減結合キャパシタであり、したがって、キャパシタンスＣDも、フィードバックキャパシタ１３４０のキャパシタンスＣFよりはるかに大きくなる。その結果、ＣＭＵＴ１３００による送信動作中、減結合キャパシタ１３９０上の電圧降下はごくわずかであり、送信入力電圧ＶTXのほとんど全部が、ＣＭＵＴ１３００およびフィードバックキャパシタ１３４０に印加される。さらに、図１３の変形例において、フィードバックキャパシタ１３４０および第１のバイアス回路１３５０を、図１０に示す実装形態と同様、ＴＸ／ＲＸスイッチ８６０の反対側に配置することができ、その結果、フィードバックキャパシタ１３４０は、ＴＸ動作中のみ機能し、第１のバイアス回路１３５０は、ＲＸ動作中にのみ機能する。
図１〜１３を参照して前述したフィードバックキャパシタを備えるＣＭＵＴを、種々の異なるシステム、デバイス等に組み込むことができる。例えば、図１４は、一部の実装形態に従う超音波システム１４０１において使用される、例示的なプローブ１４０２を示す。プローブは、ケーブル１４０４等を介して残りの超音波システムに接続される。図１４の実装形態は、上記で開示された実装形態に従う、直列に接続されるフィードバックキャパシタ１４４０を有するＣＭＵＴ１４００を含む。図１４の実装形態では、ＣＭＵＴ１４００およびフィードバックキャパシタ１４４０の両方が、超音波システムのプローブ１４０２内に位置する。
典型的には、ＣＭＵＴは、超音波エネルギーを効率的に放出および受信するために、プローブ表面の近傍のいずれかの場所に配置される必要がある。しかし、安全上の配慮から、プローブ表面近傍のいずれかの場所に高電圧を存在させるのは、望ましくない。したがって、図１４の実装形態では、ＣＭＵＴ１４００は、プローブ前面１４０３に位置する。しかし、フィードバックキャパシタ１４４０は、比較的高い電圧を維持するのに安全である、プローブ内の任意の場所に配置することができる。通常、フィードバックキャパシタ１４４０は、プローブの表面から遠くに配置することが好ましい。これらを考慮し、ＣＭＵＴ１４００およびフィードバックキャパシタ１４４０を、別個の位置に配置することができ、ＣＭＵＴ１４００は、プローブ１４０２の前面１４０３に配置し、フィードバックキャパシタ１４４０は、プローブ１４０２の内部等の、表面から絶縁される、高電圧に対して安全であるプローブ１４０２内の位置に配置することができる。この場合、前述のように、本明細書で開示される実装形態における、プローブ表面近傍にさらされる電圧（ＶA）は、ＣＭＵＴが通常動作において使用されるときには、全送電電圧（ＶTX）よりもはるかに低い。
さらに、超音波システム１５０１の他の実装形態において、図１５の例示的な実装形態に示すように、フィードバックキャパシタ１５４０は、ＣＭＵＴ１５００から遠隔に位置することができ、かつ、高電圧に対して安全である超音波システム内のいずれかの場所に配置することができる。図１５の実装形態では、本明細書で開示される実装形態に従うＣＭＵＴ１５００は、超音波プローブ１５０２内に位置する。フィードバックキャパシタ１５４０は、基盤ユニット１５０８等内の離れた位置に位置し、ケーブル１５０４等を介してＣＭＵＴ１５００と直列に接続される。本構成は、例えば、カテーテル、他のプローブ型デバイス、または類似の機器に組み込むために有用であり得る。図１〜１３を参照して説明した実装形態のうちのいずれも、図１４および１５のシステムに実装することができる。
前述のことから、本明細書で開示される実装形態は、同一変位を達成するために、通常動作中にＣＭＵＴによって必要とされるものよりも低い電圧で機能することができる、ＣＭＵＴを提供することが明白になる。これは、超音波システムの一実装形態において、大きな電圧を利用することができないか、あるいは望ましくない時に有用である。例えば、人体に付着または挿入されたデバイスに対して使用できる高い電圧については、制限がある。さらに、本明細書で開示されるＣＭＵＴの実装形態は、２つの電極間に、はるかに小さい分離空間または離隔間隙を有することができる。また、より小さい電極間隙およびより低い所要電圧は、送信モードおよび受信モードの両方の間、ＣＭＵＴの効率を高めることができる。
また、実装形態は、本明細書に記載されるＣＭＵＴを作製および使用するための、方法、システム、および装置にも関する。さらに、図１４および１５に示すシステム構成は、実装形態が提供され得る、純粋に例示的なシステムであり、実装形態が特定のハードウェア構成に限定されるものではないことに留意されたい。説明の中では、本開示の完全な理解を提供するために、説明目的で、多くの詳細について記載した。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細の全てが必要とされるわけではないことが、明白となるであろう。
構造的特徴および／または方法論的行為に特定の文言で、主題について記載したが、添付の特許請求の範囲において定義される主題は、上記の特定の特徴または行為に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、上述の特定の特徴および行為は、特許請求の範囲を実装する例示的形態として開示される。さらに、当業者は、同一目的を達成すると算定されるいずれの配置も、開示される特定の実装形態と置き換え得ることを認識する。本開示は、開示される実装形態の全ての適合および変形を網羅することを意図し、以下の特許請求の範囲で使用される条件が、本明細書において開示される特定の実装形態に本特許を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。むしろ、本特許の範囲は、以下の特許請求の範囲が権利を付与されるあらゆる同等物とともに、かかる特許請求の範囲によってその全体が決定される。

Claims (20)

  1. 容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）であって、
    第１の電極と、
    間隙によって前記第１の電極から分離される第２の電極であって、第１のキャパシタンスが前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在するようにする、第２の電極と、
    前記第２の電極が、前記第１の電極に向かって、および前記第１の電極から離れる方に移動するのを可能にするための、前記第２の電極を支持するバネ要素と、
    を備える、容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）と、
    前記ＣＭＵＴと直列に接続されるフィードバック構成要素であって、前記ＣＭＵＴに印加される電圧にフィードバックを提供する、フィードバック構成要素と、
    を備える、システム。
  2. 前記フィードバック構成要素は、前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンスが、前記第２の電極の移動の結果として増加する時に、前記電圧を減少させるために、前記ＣＭＵＴに印加される前記電圧に負のフィードバックを提供するキャパシタである、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記フィードバック構成要素は、前記第１のキャパシタンスとほぼ同等またはそれ未満である、第２のキャパシタンスを有するキャパシタである、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記フィードバック構成要素は、前記第１のキャパシタンスの１０パーセントから３００パーセントである、第２のキャパシタンスを有するキャパシタである、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記フィードバック構成要素は、前記第１のキャパシタンスの３０パーセントから１００パーセントある、第２のキャパシタンスを有するキャパシタである、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを検出するために受信モードで使用される時には、前記フィードバック構成要素を回避するための経路を提供するように作動可能であり、前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを送信するために送信モードで使用される時には、前記ＣＭＵＴと直列に前記フィードバック構成要素を配置するように作動可能である、スイッチをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記フィードバック構成要素と前記ＣＭＵＴとの間にバイアス電圧を印加するためのバイアス回路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記フィードバック構成要素と前記ＣＭＵＴとの間のスイッチであって、前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを送信するために送信モードで使用される時には、前記ＣＭＵＴを前記フィードバック構成要素および送電電圧源と直列に接続し、前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを検出するために受信モードで使用される時には、前記ＣＭＵＴを受信端末に接続する、スイッチと、
    前記スイッチと前記ＣＭＵＴとの間にバイアス用電圧を印加するためのバイアス回路と、
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記フィードバック構成要素と前記ＣＭＵＴとの間のスイッチであって、前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを送信するために送信モードで使用される時には、前記ＣＭＵＴを前記フィードバック構成要素および送電電圧源と直列に接続し、前記ＣＭＵＴが音響エネルギーを検出するために受信モードで使用される時には、前記ＣＭＵＴを受信端末に接続する、スイッチと、
    前記スイッチが前記ＣＭＵＴを前記受信端末に接続する時に、バイアス用電圧を印加するためのバイアス回路と、
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記ＣＭＵＴが表面に位置する超音波プローブをさらに備え、前記フィードバック構成要素は、前記プローブ内に位置し、前記プローブの前記表面から絶縁される、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記ＣＭＵＴが表面に位置する前記プローブを有する、超音波システムをさらに備え、前記フィードバック構成要素は、ケーブルを介して前記プローブに接続される前記超音波システムの基盤ユニット内に位置する、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記フィードバック構成要素は、所定の動作周波数で、前記ＣＭＵＴのインピーダンスと同じ桁数であるインピーダンスを有する、レジスタまたはインダクタである、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記フィードバック構成要素は、所定の動作周波数で、前記ＣＭＵＴのインピーダンスの５０パーセントから３００パーセントであるインピーダンスを有する、レジスタまたはインダクタである、請求項１に記載のシステム。
  14. 第１の電極と、前記第１の電極から空間によって分離される第２の電極と、を含む容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）を提供するステップであって、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、第１のキャパシタンスが存在するようにし、前記第２の電極は、前記第２の電極が前記第１の電極に向かって移動し、元の位置に戻るのを可能にするためのバネ要素によって支持され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に第１のキャパシタンスが存在する、ステップと、
    フィードバックキャパシタを前記ＣＭＵＴと直列に配置するステップであって、前記フィードバックキャパシタは、前記ＣＭＵＴの前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記第１のキャパシタンスに基づく第２のキャパシタンスを有する、ステップと、
    を含む、方法。
  15. 前記ＣＭＵＴを作動させるために前記ＣＭＵＴおよび前記フィードバックキャパシタに送電電圧を印加するステップをさらに含み、前記フィードバックキャパシタは、前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンスが、前記ＣＭＵＴの作動の間に増加する時に、前記ＣＭＵＴに印加される前記送電電圧が減少するように、前記ＣＭＵＴに印加される前記送電電圧にフィードバックを適用する、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンス以下である前記第２のキャパシタンスを有するように、前記フィードバックキャパシタを選択するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  17. 前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンスの３０パーセントから１００パーセントである前記第２のキャパシタンスを有するように、前記フィードバックキャパシタを選択するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  18. 前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンスの１０パーセントから３００パーセントである前記第２のキャパシタンスを有するように、前記フィードバックキャパシタを選択するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  19. 容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）であって、
    第１の電極と、
    間隙によって前記第１の電極から分離される第２の電極であって、前記第２の電極が第１の位置にある時に、第１のキャパシタンスが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に存在するようにする、第２の電極と、
    前記第２の電極が、電圧が印加される時に、所定の変位のために前記第１の位置から前記第１の電極の方へ移動し、音響エネルギーを生成するために前記第１の位置に戻るのを可能にするための、前記第２の電極を支持する可撓性要素と、
    前記ＣＭＵＴと直列に接続されるフィードバックキャパシタであって、前記フィードバックキャパシタは、前記第１のキャパシタンスの１０パーセントから３００パーセントの第２のキャパシタンスを有し、前記フィードバックキャパシタおよび前記ＣＭＵＴは、分圧器を形成し、前記ＣＭＵＴの前記第１のキャパシタンスの増加により、前記フィードバックキャパシタが、前記ＣＭＵＴに印加される前記電圧に負のフィードバックを提供する時、前記ＣＭＵＴに印加される前記電圧が減少するようにする、フィードバックキャパシタと、
    を備える、システム。
  20. 前記システムは、前記ＣＭＵＴが表面に位置する前記プローブを有する超音波システムであり、
    前記フィードバックキャパシタは、前記プローブ内に位置し、前記プローブの前記表面から絶縁されるか、ケーブルを介して前記プローブに接続される前記超音波システムの基盤ユニット内に位置する、
    請求項１９に記載のシステム。
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