JP2014200089A - 輪郭成形基板を含む崩壊モードで動作可能なcMUT - Google Patents

輪郭成形基板を含む崩壊モードで動作可能なcMUT Download PDF

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Abstract

【課題】効率的及び効果的なcMUTの装置及び方法、並びにこの装置の使用方法に対する必要性が残っている。【解決手段】減少したバイアス電圧又はバイアス電圧無しのどちらか一方で崩壊モードで動作可能である容量性超音波トランスデューサが供給される。このトランスデューサは、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜の中央領域が前記基板に崩壊するように輪郭成形される基板を有する。前記基板と前記柔軟膜の周辺領域との間に崩壊していない間隙が存在している。前記基板の輪郭は、崩壊地点を通り越して前記柔軟膜を引っ張るか、又は前記柔軟膜と機械的に干渉しているかである。前記基板は、前記柔軟膜の下に置かれる他の膜を有し、この他の膜は、前記柔軟膜がこの他の膜に崩壊するように輪郭成形される。前記基板は、前記柔軟膜に向かい上向きに前記他の膜の対応する部分をそらせるために、前記他の膜の下に置かれる支持体でもよい。前記支持体は柱でもよい。【選択図】図3

Description

本開示は、医療診断画像を生成するためのシステム及び方法を対象とし、特に超音波トランスデューサを対象としている。
Bayram, B.共著、A New Regime for Operating Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers, IEEE Trans UFFC, Vol. 50, No.9(2003)に述べられるように、崩壊モード(collapsed mode)で動作すべき従来の容量性超音波トランスデューサ(cMUT: capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)にとって、このcMUTの柔軟膜(flexible membrane)は、この膜の一部を対応するcMUT基板に崩壊させる電圧を用いて一般に励起される。次いで、この膜に印加される電圧を、cMUTの"スナップバック電圧(snapback voltage)"として一般に特徴付けられる、一定のしきい電圧に減少することは、この膜を基板から上に持ち上げたり、平衡位置まで戻したりする。一方、先に崩壊した膜に印加される電圧が前記スナップバック電圧より上に維持される範囲内で、前記装置のかなり線形且つ効率的な出力が一般に達成されることができる。
従来のcMUT構造が図1に示される。特に、図1は、ポケット104を形成する基板102、及びこのポケット104にまたがって前記基板102に取り付けられる柔軟膜106を有するcMUT100を断面図で示す。この柔軟膜106と基板102とに印加されるバイアス電圧がかなり低い電圧又は零ボルトに設定される状況において、cMUT100は一般的に、柔軟膜106と基板102との間にあるポケット104内に間隙108を表す。
ここで図2を参照すると、動作時、図1に示されるcMUT100の形状と関連するかなり低い又は零のレベルから十分な量を増大する電圧バイアスを、前記柔軟膜106と基板102とに印加する際、この柔軟膜106は、ポケット104の下方へ及び基板102に向かって崩壊する傾向がある。柔軟膜106のこのような崩壊は、柔軟膜106の下向き面200が基板102の対応する上向き面202と物理的に接触して少なくとも一時的に置かれるように、柔軟膜106と基板102との間にある前記間隙108(図1参照)を殆ど除去することができる。一旦そうなると、基板102に関して柔軟膜106のこの崩壊状態は、一般に"スナップバック"電圧とも呼ばれる、一定の最小レベルを超えるバイアス電圧を、柔軟膜106及び基板102に連続して印加することにより維持される。
cMUT100は崩壊モードで使用され、圧力波を放射又は受信する。柔軟膜106が基板102に崩壊した状態で圧力波を放射するcMUT100に対し、柔軟膜106と基板102とにかかる電圧は、かなり高い電圧とかなり低い電圧との間を循環する。このような両方の電圧は一般に、それら電圧の夫々の大きさに関し、cMUT100に関連するスナップバック電圧よりも高い。かなり高い電圧及びかなり低い電圧のうち、かなり高い電圧は、柔軟膜106の下向き面200と基板102の上向き面202との間にある、それに応じて大きくなる接触エリアに関連する。柔軟膜106が誘導、駆動される、又は他の方法で、循環するバイアス電圧により、基板102と物理的に接触している上記大きい及び小さなエリア間を交互に起こさせるので、柔軟膜10の一定の部分は、ポケット104内において基板102の対応する部分に関して垂直方向に往復運動することにより、基板102と接するエリアに及びそのエリアから(例えば柔軟膜106の"崩壊領域"に及び"崩壊領域"から)遷移する。柔軟膜106の上記遷移部分の上記往復垂直運動が所望の圧力波を生み出す。当業者は分かっているように、上記cMUT100は一般に、cMUT100により受信される外部で生じた圧力波に曝されている柔軟膜106に応じて、対応する電気信号を生成及び送信するために、図2に示される崩壊モードで使用することも可能である。
例えば図1及び図2のcMUT100のような、cMUTの効率の少なくとも1つの共通する方法に従って、(例えば電気入力に応じて出力として)圧力波の放射に、及び/又は電気出力を生成する処理の一部として、入力として)入射する圧力波の受信及びその圧力波の応答に、実質的に積極的に加わる前記柔軟膜のその部分の大きさ又はエリアの値は、比較のために少なくとも1つの基準を供給する。例えば、同じ入力電気信号又は同じ入力圧力波に対し少なくとも幾分か異なって応答する傾向があるcMUT100の2つの少なくとも幾分か異なって構成される変数の場合、柔軟膜106の崩壊領域のより大きな動きを示しているcMUT変数がより効率的な装置であると通常は見なされる。
今日までの努力にもかかわらず、効率的及び効果的なcMUTの装置及び方法、並びにこの装置の使用方法に対する必要性が残っている。これら及び他の必要性は、以下の詳細な説明から明らかとなるように、開示される装置、システム及び方法により満たされる。
本開示の実施例に従って、容量性超音波トランスデューサが供給され、このトランスデューサは、基板及び柔軟膜を有し、前記柔軟膜は、この柔軟膜がそれに沿って前記基板に取り付けられている周辺領域、及びこれら周辺領域間を延在している中央領域を有する。前記トランスデューサの基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域付近において基板に崩壊するように輪郭成形され、それにより前記トランスデューサは、減少したバイアス電圧又はバイアス電圧無しのどちらか一方で崩壊モードで動作することを可能にする。前記周辺領域の各々の付近において、前記基板と前記柔軟膜との間に崩壊していない間隙(non-collapsible gap)が存在している。この基板は例えば、前記中央領域の付近における崩壊地点を通り越して柔軟膜を引っ張る及び/又は前記中央領域の付近において約2μmまでの範囲(例えば約1.6μmまでの範囲)で前記柔軟膜と機械的に干渉するように輪郭成形される。前記基板は、柔軟膜の下に置かれる他の膜を含み、この他の膜は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が中央領域の付近において前記他の膜に崩壊するように輪郭成形される。前記柔軟膜の長さ及び厚さは夫々、約80μm(例えば約100μm)よりも大きく、約3μm(例えば約2μm)よりも小さく、並びに前記他の膜は少なくとも約4μmの厚さ(例えば約5μmの厚さ)である。前記基板はさらに、前記他の膜の下に置かれる支持体を含み、この支持体は、支持体と柔軟膜との間にある本来の間隙の厚さに少なくとも等しい範囲まで前記柔軟膜に向かい上向きに前記他の膜の対応する部分をそらせるように寸法がとられる及び構成される。前記支持体は、前記他の膜の下に置かれると共に、前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされた柱でもよいし、及び/又は前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされた他の膜の中心部以外の他の膜の領域の下では構造上不完全でもよい。前記支持体は、少なくとも約0.5μmの範囲(例えば、約0.9μmから約2.5μmの間の範囲)まで垂直方向上向きに、前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされた前記他の膜の中心部をそらせるように動作させる一方、前記他の膜の少なくとも1つの相対的な周辺部は実質的に垂直方向にはそらないままにすることを可能にする。前記基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において基板に崩壊するように輪郭成形され、これにより前記トランスデューサは、同等に輪郭成形されていない基板を示している他の点では同等の従来のトランスデューサと比べて、改善された効率(k eff)で崩壊モードで動作することを可能にする。
本開示の実施例に従って、容量性超音波トランスデューサを有する医療撮像システムが供給され、このトランスデューサは、基板及び柔軟膜を有し、前記柔軟膜は、この柔軟膜がそれに沿って前記基板に取り付けられる周辺領域、及びこれら周辺領域間を延在している中央領域を有する。前記トランスデューサの基板は、バイアス電圧がないと、前記中央領域の付近において基板に崩壊するように輪郭成形され、それにより前記トランスデューサは、減少したバイアス電圧又はバイアス電圧無しのどちらか一方で崩壊モードで動作することを可能にする。前記医療撮像システムは共通の基板上に置かれる上記トランスデューサのアレイを有する。
本開示の実施例に従って、容量性超音波トランスデューサを動作させる方法が供給され、この方法は、基板及び柔軟膜を含むトランスデューサを供給するステップ及びバイアス電圧がないと、前記トランスデューサを崩壊モードで動作させるステップを有し、前記柔軟膜は、この柔軟膜がそれに沿って前記基板に取り付けられる周辺領域、及び前記周辺領域間を延在している中央領域を有し、前記基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において前記基板に崩壊するように輪郭成形される。
従来のcMUTを示す図である。 崩壊の動作モードの図1のcMUTを示す図である。 本発明の実施例に従って構成されるcMUTを示す図である。 本発明の実施例に従って図3のcMUTを製造する方法を示す図である。 本発明の実施例に従って図3のcMUTを製造する方法を示す図である。 本発明の実施例に従って図3のcMUTを製造する方法を示す図である。 本発明の実施例に従って図3のcMUTを製造する方法を示す図である。 ある従来技術の、しかし他の同等なcMUTと比べて、本発明に従うcMUTの様々な実施例に対応する効率データをバイアス電圧の関数として示す図である。 ある従来技術の、しかし他の同等なcMUTと比べて、本発明に従うcMUTの様々な実施例に対応する効率データをバイアス電圧の関数として示す図である。 本発明に従って構成されるcMUT装置のアレイを含む、本発明の実施例に従う医療診断画像を生成するためのシステムを示す図である。
当業者が開示される装置、システム及び方法を作成及び使用すること支援するために、付随する図面に参照番号が付けられる。
cMUTを崩壊モードで使用することの従来ある欠点の1つは、崩壊電圧が一般に動作電圧よりもかなり高いことであり、故に高電圧回路が必要とされることである。加えて、出力は通常、上記装置の如何なる効率の改善も望ましいような撮像応用におけるcMUTの制限要因である。
これら応用は、モデリング及びシミュレーションによって、cMUTの基板表面にある変更を実施することが崩壊モードでの動作において効率の改善となり得ることが分かる。本開示の幾つかの実施例において第2の膜を含む基板は、cMUTの前記柔軟膜の中央に間隙を持たないように輪郭成形(バイアスの無い崩壊モード)される。これは、本開示に従うcMUTがバイアス電圧無し(又は小さなバイアス電圧)で崩壊モードで動作することを可能にする。その上、これら応用は、本開示によるcMUTが、前記基板が接点(崩壊)を通り越して前記膜を引っ張るのに用いられたとき、効率が増大するのが示される。この効率の改善に加え、本開示に従うcMUTは、必要な電圧をかなり下げることを可能にする。他の関連する利点の中で、このような改善は、本開示に従うcMUTを主流の超音波プローブに取り入れるのにかなり適している。
図3に戻ってみると、本開示の例示的な実施例に従うcMUT装置が示される。特に、図3は、cMUT300を断面図で示す。このcMUT300は、ポケット304を形成する基板302を含む。cMUT300はさらに、前記ポケット304にまたがって前記基板302に結合される柔軟膜306を含む。この柔軟膜306は、夫々の周辺領域308を含み、前記柔軟膜306は、この領域に沿ってポケット304の対応する周辺部の周辺又は辺りで基板302に取り付けられる。柔軟膜306はさらに、前記周辺領域308の間を延在している中央領域310を含む。またさらに、柔軟膜306は、下向き面312を規定している。基板302はさらに、前記ポケット304の周辺部内に置かれる基板314を含んでもよい。この基板314は、上向き輪郭成形表面316を規定及び/又は少なくとも構造的に支持してもよい。この上向き輪郭成形表面316は、前記中央領域310の付近において前記柔軟膜306の下向き表面312と接する及び/又は他の方法で協働して嵌合するために、ポケット304の上向き又は外向きに延在又は突出する。前記輪郭成形表面316は、少なくとも弓形、湾曲、凸形及びドーム形のうち1つ以上である。前記輪郭成形表面316の他の形状も可能である。前記輪郭成形表面316は、輪郭成形表面がポケット304内に略完全に含まれる又は閉じ込められような、(例えば図3の用紙に対して垂直に配される方向に沿って)十分に小さい若しくは短い横方向及び/又は深さ方向の範囲を規定する又は含んでもよい。例えば、前記輪郭成形表面316は、柔軟膜306の中央領域310と専ら干渉するために、ポケット304内において略孤立した"島"を有する又は規定するように、寸法がとられる及び構成されてもよい(例えば前記輪郭成形表面は、周辺領域308の付近において、対応して減少する輪郭を規定するか又はこの周辺領域308の付近には殆ど無いかの何れか一方である)。前記輪郭成形表面316の横方向及び/又は深さ方向の範囲に対する他の幾何学的及び/又は寸法上の構成も可能である。
本開示の、特に図3に示されるような実施例に従って、前記輪郭成形表面316の少なくとも一部又はセグメントは、基板302の基準高度320に対する高度318を占め、前記柔軟膜306の周辺領域308の1つ以上に関連する下向き表面322の少なくとも一部又はセグメントは、同じ基準高度320に対する高度324を占め、前記高度318は、前記基準高度320に対し高度324よりも少なくとも幾分か高い。例えば、前記基板302に対する柔軟膜306の基本高度は、輪郭成形表面316と柔軟膜306との間に如何なる干渉もないと、柔軟膜306の下向き表面312の全範囲は前記高度324と略横方向に並べられる及びその高度に位置決められる傾向であるように、高度324において共通の高度を占めている前記柔軟膜の周辺領域308の全てによって設定されてもよい。このような状況において、柔軟膜306の前記基本高度324よりも少なくとも幾分か高い、高度320の基板302の輪郭成形表面316の少なくとも一部又はセグメントによる占有は、前記輪郭成形表面316と柔軟膜306の下向き表面312との間に機械的な干渉を生じさせる。同様に、前記柔軟膜306は、前記輪郭成形表面316及び/又は構造体314により上向きにそらし、中央領域310の付近において前記輪郭成形表面316を前記柔軟膜306と常に接したままにさせるプレロード(pre-load)をもたらす。
本開示に従って、図3において別々には示されていない若しくは表示されていない、cMUT300に関連する電極の特定の性質、構成又は配置が必ずしも重要ではない。それ自体は、cMUTに一般に応用可能である電極構成の改善若しくは最適化の形式又は方法がcMUT300に特に応用されてもよい。
図3に示されるように、cMUT300の一部として含まれる構造体314は、ポケット304の略中心に置かれ、その場所において柔軟膜306の方向に上向きに延在している柱326、並びにこの柱326の上に及び柱にまたがって含んでいる、ポケット304内に置かれると共に、ポケット304に広がって延在する下方膜328を含む。上述した及びここにさらに説明されるように、構造体314及びこの構造体に関連する輪郭成形表面316は、崩壊モードのcMUT300を平衡位置(例えば零(0)ボルトのバイアス電圧)に置く。前記下方膜328は、(この下方膜328の運動が必ずしも放射圧力波を生じさせない)基板302へのエネルギー損失を参照するために、柔軟膜306よりもかなり厚い及び/又は堅くてもよい。本開示の実施例に従って、柔軟膜306の長さ及び厚さは夫々約100μm及び2μmであり、前記下方膜328は約5μmの厚さでもよい。柱326の頂部の高さは、初期間隙の厚さ(変形していない膜)に約1.6μmを加えたのに対応する寸法に設定される。柔軟膜306の長さ及び厚さ、下方膜328の厚さ、並びに柱326の頂部の高さに対する他の寸法及び/又は関連する寸法の組み合わせが可能であり、本開示の実施例に従って、同様の増強効果を達成するのに用いられてもよい。
さらに、本開示の例示的な実施例に従って、cMUT300は、様々な処理及び製造技術の1つ以上を用いて組み立てられる。例えば、図4、5、6及び7に描かれるように、cMUT300を組み立てる1つの上記方法が論じられている。SOIウエハー(SOI wafer)は、図4に示されるような二重膜構造を持つ基板を製造するのに用いられる。もう1つのウエハーは、図5に示されるような柱構造を持つ基板を製造するのに用いられる。これら2つのウエハーは、位置合わせされ、一緒に接続されて、図6にある構造体を製造する。二重膜構造の基板が取り除かれ、図7に示されるような最終構造を与えてもよい。
本出願人は、図3に関して示される及び上述されるcMUT300の効率(k eff)を図2に示される従来の崩壊したcMUT100の効率と比較するために、モデリング及びシミュレーションを行った。図8は、この比較を0.5から1.3μmの範囲を持つ初期間隙の厚さの関数として示す(これらの場合、柱の高さは初期間隙の厚さに1.6μmを加えている)。cMUT300は、前記間隙の厚さの全てに大幅な効率の増大を示し、大きな間隙に対しては大きさを2倍にすることができる。本出願人はさらに、図9に示されるように、初期間隙の厚さから初期間隙の厚さに1.6μmを加えた厚さまでの柱の高さの変化を調べた(初期間隙の厚さが0.9μmである)。0.9μmの柱の高さ(初期間隙の厚さ)は、下方膜328をちょうど柔軟膜306との接点まで上げ、前記二重膜構造の(小さな電圧範囲にわたる)効率の僅かな増大を示し、これは、柱の高さが上がるにつれて増大する。
二重膜構造は、本開示に従って改善された効率を持つcMUTを達成する1つのやり方である。この二重膜構造のような基板形状を生じさせる如何なる処理も高い効率を持つべきである。この改善された効率は、cMUT300の(相互的な)送信及び受信機能の両方を達成すべきである。
例えばcMUT300のような装置に上手く適した応用は、医療超音波システム用の大きなアレイを含む。本開示の例示的な実施例に従って、上記医療超音波システムは、図10に描かれるシステム1000のような1つ以上のシステムを含んでもよい。このシステム1000は、示される2つのcMUT300を含んでいるが、必ずしもこれに限定されない本開示に従うcMUT装置のアレイを含む。特に示されるcMUT300を含む上記cMUT装置は、本開示と一致する増強した機能性及び性能特性をシステム1000に供給する、例えば大きな2Dアレイのようなアレイで集合化されてもよい。大きな形状因子は、cMUT300が従来のシリコン処置を用いて製造される限り、成し遂げられる。加えて、本開示の実施例に従って、駆動電子機器がシステム1000のトランスデューサと一体化されてもよい。
開示される装置、システム及び方法は、本開示の意図又は範囲から外れることなく、多くの他の変形例及び代替のアプリケーションの余地がある。

Claims (17)

  1. 基板、及び
    柔軟膜
    を有する容量性超音波トランスデューサにおいて、
    前記柔軟膜は、当該柔軟膜がそれに沿って前記基板に取り付けられている周辺領域、及び前記周辺領域間を延在している中央領域を有し、並びに
    前記基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において前記基板に崩壊するように輪郭成形され、それにより前記トランスデューサは、減少したバイアス電圧又はバイアス電圧無しのどちらか一方で崩壊モードで動作することを可能にする
    容量性超音波トランスデューサ。
  2. 前記周辺領域の各々の付近において、前記基板と前記柔軟膜との間に崩壊していない間隙が存在している請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  3. 前記基板は、前記中央領域の付近における崩壊地点を通り越して前記柔軟膜を引っ張るように輪郭成形される請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  4. 前記基板は、前記中央領域の付近において約2μmまでの範囲で前記柔軟膜と機械的に干渉するように輪郭成形される請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  5. 前記基板は、前記中央領域の付近において約1.6μmまでの範囲で前記柔軟膜と機械的に干渉するように輪郭成形される請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  6. 前記基板は、前記柔軟膜の下に置かれる他の膜をさらに有し、前記他の膜は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において前記他の膜に崩壊するように輪郭成形される請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  7. 前記柔軟膜の長さ及び厚さは、夫々約80μmよりも大きく、3μmより小さく、前記他の膜は少なくとも約4μmの厚さである請求項6に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  8. 前記柔軟膜の長さ及び厚さは、夫々約100μm及び2μmであり、前記他の膜は約5μmの厚さである請求項6に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  9. 前記基板はさらに、前記他の膜の下に置かれる支持体を有し、前記支持体は、当該支持体と前記柔軟膜との間にある本来の間隙の厚さに少なくとも等しい範囲まで前記柔軟膜に向かい上向きに前記他の膜の対応部分をそらせるように寸法がとられる及び構成される請求項6に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  10. 前記支持体は、前記他の膜の下に置かれると共に、前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされる柱である請求項9に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  11. 前記支持体は、前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされた、前記他の膜の中心部分以外の前記他の膜の領域の下では構造上不完全である請求項9に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  12. 前記支持体は、少なくとも約0.5μmの範囲まで垂直方向上向きに、前記柔軟膜の中央領域と垂直方向に位置合わせされた前記他の膜の中心部をそらせるように動作させる一方、前記他の膜の少なくとも1つの相対的な周辺部は実質的に垂直方向にはそらないままにすることを可能にする請求項9に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  13. 前記支持体は、約0.9μmから約2.5μmの間の範囲に垂直方向上向きに、前記他の膜の中心部をそらせるように動作させる請求項12に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  14. 前記基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において前記基板に崩壊するように輪郭成形され、それにより同等に輪郭成形されていない基板を示している他の点では同等の従来のトランスデューサと比べ、改善された効率(k eff)で崩壊モードで前記トランスデューサが動作することを可能にする請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサ。
  15. 請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサを有する医療撮像システム。
  16. 共通の基板上に置かれる請求項1に記載の容量性超音波トランスデューサのアレイを有する医療撮像システム。
  17. 基板及び柔軟膜を有するトランスデューサを供給するステップであり、前記柔軟膜は、当該柔軟膜がそれに沿って前記基板に取り付けられる周辺領域、及び前記周辺領域間を延在している中央領域を有し、前記基板は、バイアス電圧がないと、前記柔軟膜が前記中央領域の付近において前記基板に崩壊するように輪郭成形されるステップ、並びに
    バイアス電圧がないと、前記トランスデューサを前記崩壊モードで動作させるステップ
    を有する容量性超音波トランスデューサを動作させる方法。
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