JP2023522132A - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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Abstract

小さい寸法を有していて、所与の印加電圧に対し高い周波数にて高い透過深度で動作することのできる圧電デバイスが記載されている。デバイスは、高解像度超音波画像を提供するべく血管内超音波（ＩＶＵＳ）カテーテルの様な医療デバイスへ一体化させるのに十分に適し得る。【選択図】図２Ｂ

Description

関連出願
（関連出願の相互参照）
[0001]本願は、２０２０年４月１３日出願の「超音波トランスデューサ」（“ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ”）と題された米国仮特許出願第６３／００９，４１３号に対する優先権を主張し、その全体を参照により本明細書に援用する。
（参照による援用）
[0002]本明細書の中で言及される全ての刊行物及び特許出願は、各個々の刊行物又は特許出願が参照により援用されることを特定的且つ個別に示唆される場合と同程度に、その全体が参照により本明細書に援用される。
（技術分野）
[0003]本明細書には、超音波トランスデューサ、特にセンサ（例えば、レシーバ及び／又はエミッタ）として構成され得る圧電微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）型トランスデューサが記載されている。
[0004]超音波トランスデューサは、測距用途、風速検知、超音波浴、指紋センサ、及び超音波医用画像化を含む幅広い用途で使用されている。トランスデューサの設計はその使途によって大きく異なることがある。例えば、超音波画像化用途のために使用されるものは、測距用途で使用されるものとは大きく異なる集束、感度、及びパワーの要件を有している。
[0005]微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は、概して、静電容量力性（ＣＭＵＴ）又は圧電性（ＰＭＵＴ）の感知作動という２つの異なるメカニズムの一方を使用して動作する。ＣＭＵＴとＰＭＵＴは、どちらも薄膜の曲げ運動に基づいてはいるが、幾つかの主要な相違点を有している。ＣＭＵＴではエネルギー変換が静電容量の変化に因るのに対し、ＰＭＵＴではエネルギー変換は圧電材料の圧電気に基づく。最近では、ＣＭＵＴに比較してパワー消費量が低減され音響結合が改善されることから、一体型トランスデューサアレイの有望なソリューションとしてＰＭＵＴに益々注目が寄せられている。これらの利点にもかかわらず、ＰＭＵＴ向けの高性能薄膜の製造には困難がある。更に、高い周波数での用途を含む医療用途では、組織を透過するための高い透過深度を有するＰＭＵＴを提供するのは難しい。
米国仮特許出願第６３／００９，４１３号
[0006]必要とされるものは、高解像度超音波画像化カテーテルの様な小型医療デバイスに実施できるものを含め、高い周波数にて高い透過深度で動作することのできる改善されたＰＭＵＴデバイスである。
[0007]本明細書には、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）装置（例えば、センサを含むデバイス、システム、組立体など）とそれらを動作させる方法及び作製する方法が記載されている。ＣＭＵＴデバイス及び従来型ＰＭＵＴデバイスに比較して、本明細書に記載のＰＭＵＴデバイスは、より小型化することができ、所与の印加電圧に対し比較的高い周波数にて比較的高い透過深度で動作することができる。ゆえに、これらのデバイスは、高解像度超音波画像を提供するべく血管内超音波（ＩＶＵＳ）カテーテルの様な医療デバイスへ一体化させるのに十分に適し得る。
[0008]ＰＭＵＴデバイスは、複数の圧電スタックをセルとして配列させて含むことができ、各セルは基板内のキャビティを覆ってベース層から盛り上がって延びている多層スタックを含んでいる。多層スタックは、それぞれが電極層によって挟まれた複数の圧電層と、振動中の膜へ剛性を追加する少なくとも１つのベース層と、を含むことができる。（単数又は複数の）圧電層及び／又はベース層の厚さ及び／又は材料は、ＰＭＵＴデバイスの所望性能を実現するように選定されればよい。幾つかの実施例では、圧電層は、それぞれ、０．２５マイクロメートル～３マイクロメートルの範囲の高さを有している。幾つかの実施例では、ベース層は少なくとも５００ナノメートルの厚さを有している。幾つかの実施例では、１つ又はそれ以上の圧電層は、酸化亜鉛及び／又は窒化アルミニウムの様な無鉛材料を含んでいる。
[0009]したがって、多層スタックが２つ又はそれ以上の圧電層を含むようにして、多層スタック膜の総変位を増加させることができる。本明細書に記載されている様に、圧電層の二重化は、同じ厚さの単一スタックに比較して、単位駆動電圧での総変位を増加させ得る。多層スタックが２つ又はそれ以上の圧電層を含む場合、２つ又はそれ以上の圧電層は、隣接する圧電層が単一の電極によって分離された状態で、スタック内部に均一な電場を提供し且つ接続を容易にするために交互極性を有するように配列されていてもよい。代替的に、幾つかの実施例では、圧電層は同じ方向に分極されていて、別々の電極層の間に挟まれていてもよい。
[0010]幾つかの実施例によれば、圧電スタックは一連の同心リングに配列されており、本明細書でリングＰＭＵＴと呼ばれることもある。この配列は、ブルズアイパターンとして構成されてもよい。リングアレイ配列は、単一の単純な丸形又は矩形の圧電セルに比較して、所与の駆動電圧に対しより高い振動振幅を提供することができる。リングアレイ構造はまた、丸形又は矩形の圧電形状を有するセルに比較して、より良好な集束を提供することができる。場合によっては、スタック内に２つ又はそれ以上の圧電層を含む圧電スタックのリングを有する配列は、ＰＭＵＴの振動振幅、透過深度、及び集束を増加させることができるだろう。幾つかの実施例では、ＰＭＵＴデバイスは、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも０．６ｃｍ（例えば、０．６ｃｍ超）の透過深度を有することができる。幾つかの実施例では、ＰＭＵＴデバイスは、約３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも１ｃｍの透過深度を有することができる。幾つかの実施例では、ＰＭＵＴデバイスは、約１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも４ｃｍの透過深度を有することができる。
[0011]例えば、圧電超音波トランスデューサデバイスであって、複数の同心多層化スタックを備え、各同心多層化スタックはベース層から盛り上がって延び、同心多層化スタック及びベース層はキャビティを覆って延び、同心多層化スタックは空間（例えば、開放されていて空気又は他の流体が空間内を通過できるようになっている）によって分離されており、更に、同心多層化スタックのそれぞれが複数の圧電層を含み、各圧電層は電極層の間に配列されている、デバイス、が本明細書に記載されている。幾つかの実施例では、複数の同心多層化スタックは、同心形状を形成するよう自身の周りに螺旋を描く単一の長い多層化スタックによって形成されている。
[0012]幾つかの実施例では、圧電超音波トランスデューサデバイスは、複数のリング形状の同心多層化スタックを含み、各同心多層化スタックはベース層から盛り上がって延び、複数の同心多層化スタック及びベース層はキャビティを覆って延びている。複数の同心多層化スタックは、ブルズアイパターンに配列されていて、同心多層化スタックの各々が複数の圧電層を含み、各圧電層は電極層の間に配列され、各スタック内の圧電層は（例えば、圧電層の極性がスタックの高さに沿って逆転するように）交互極性に配列されていてもよい。
[0013]例えば、圧電超音波トランスデューサデバイスは、ベース層を覆って同心に配列されていてベース層から盛り上がって延びている１つ又はそれ以上の多層化スタックを含み、１つ又はそれ以上の多層化スタック及びベース層はキャビティを覆って配列されており、更に、１つ又はそれ以上の多層化スタックのそれぞれが、複数の、電極層の間に配列された圧電層を含んでいてもよい。
[0014]圧電超音波トランスデューサデバイスが、ベースの上に螺旋パターン又はブルズアイパターンに同心に配列されていてベースから高さまで盛り上がって延びている１つ又はそれ以上の多層化スタックを含み、１つ又はそれ以上の多層化スタック及びベース層は基板のキャビティを覆って配列され、更に、１つ又はそれ以上の多層化スタックのそれぞれが、複数の、電極層の間に配列された圧電層を含み、１つ又はそれ以上の多層化スタック内の圧電層はベースから高さの方向に沿って極性が交互するようになっていてもよい。
[0015]同心多層化スタックは、複数の圧電層、例えば、２～１０の間（例えば、２～３の間、２～４の間、２～５の間、２～６の間、２～７の間、２～８の間、２～１０の間など）の圧電層を含んでいてもよい。前述の様に、各スタック内の圧電層は、交互極性に配列されていてもよい。圧電層の極性は、電極層間に電圧が印加されたときの印加電場の極性に平行であってもよい。
[0016]このデバイスは、シリコン及び／又は窒化シリコンベース層の様な何れの適切な基板を含んでいてもよい。幾つかの実施例では、基板は窒化シリコンベース層とは別であると考えられてもよい。窒化シリコンベース層は、少なくとも１００ナノメートル（例えば、少なくとも２００ｎｍ、少なくとも３００ｎｍ、少なくとも４００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍなど）の厚さを有していてもよい。
[0017]複数の圧電層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムスカンジウム（ＡｌＳｃＮ）、ニオブ酸マグネシウム鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）系材料、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー、のうちの１つ又はそれ以上を備えていてもよい。前述の様に、幾つかの実施例では、圧電材料は酸化亜鉛（ＺｎＯ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を備えている。
[0018]幾つかの実施例では、各圧電層の分極方向は、圧電層の高さに平行に（例えば、ベース層の層に対して垂直に）配列されている。したがって、各圧電層の何れかの側の電極層へ電場が印加されたとき、印加電場の分極方向は、典型的には、各圧電層の分極方向（互いに反対であってもよい）と平行である。
[0019]圧電層は、それぞれ、例えば、約０．１μｍ～約５μｍ（例えば、約０．２５μｍ～約３μｍ、約０．３μｍ～約２μｍ、約０．４μｍ～約１μｍなど）の範囲の高さを有していてもよい。これらの装置の何れかは、動作周波数（例えば、作業周波数）の範囲が超音波範囲にあってもよく、例えば、約１ＭＨｚ～約１３０ＭＨｚの間、例えば約５ＭＨｚ～約１００ＭＨｚの間、約１０ＭＨｚ～約１２０ＭＨｚの間、約１０ＭＨｚ～約１００ＭＨｚの間、約１０ＭＨｚ～約９０ＭＨｚの間などであってもよい。例えば、幾つかの実施例では、装置は、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも０．６ｃｍの透過深度を有している。幾つかの実施例では、装置は、３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも１ｃｍの透過深度を有している。幾つかの実施例では、装置は、１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも４ｃｍの透過深度を有している。
[0020]これらの装置の何れかでは、トランスデューサは、圧電層の厚さの合計の少なくとも０．１パーセントの計算された変位を有していてもよい。概して、圧電層の数が増えるほど同じ印加電圧に対する総変位が実質的に増加し得る。
[0021]概して、これらの装置の何れかは、（単数又は複数の）スタックの電極層へ連結された電極を含んでいてもよい。同心に配列されたスタックの全てが、同じ（単数又は複数の）対の電極へ連結されていてもよい。例えば、これらの装置の何れかは、各多層化スタック内の電極層の第１の半分と電気連通している第１の電気リードと、各多層化スタック内の電極層の第２の半分と電気連通している第２の電気リード（接地されていてもよい）と、を含んでいてもよい。各多層化スタック内の電極層の第１の半分の電極層は、各多層化スタック内の電極層の第２の半分の電極層と交互していてもよい。
[0022]本明細書に記載の圧電超音波トランスデューサ装置の何れかを動作させる方法も本明細書に記載されている。例えば、圧電超音波トランスデューサ装置を動作させる方法は、圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に電圧を印加する工程であって、ここに、圧電超音波トランスデューサは、それぞれがキャビティを覆ってベース層上にある複数の同心に配列された多層化スタックを備え、更に、多層化スタックのそれぞれが複数の圧電層を含み、各圧電層は複数の電極層の対の電極層の間に配列されている、電圧を印加する工程と；印加電圧から、印加電圧、圧電層を形成する材料の圧電定数、及び圧電層の数に比例する変位を誘導する工程と、を含んでいてもよい。
[0023]複数の圧電層は、圧電層のそれぞれの極性が交互するように配列されており、更に電圧を印加する工程は、圧電層のそれぞれの極性の方向と平行である分極方向に電圧を印加する工程を備えていてもよい。変位は分極方向に誘導される。
[0024]圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に電圧を印加する工程は、圧電超音波トランスデューサのリング形状の同心多層化スタック内の複数の電極層の間に電圧を印加する工程を備えていてもよく、ここに同心多層化スタックはブルズアイの様に配列されている。
[0025]例えば、変位を誘導する工程は、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備えていてもよく、ここに変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも０．６ｃｍである。変位を誘導する工程は、約３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備えていてもよく、ここに変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも１ｃｍである。変位を誘導する工程は、約１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備えていてもよく、ここに変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも４ｃｍである。
[0026]例えば、圧電超音波トランスデューサデバイスを動作させる方法は、圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に分極方向に電圧を印加する工程を含んでいてもよく、ここに、圧電超音波トランスデューサは、それぞれがキャビティを覆ってベース層上にある複数の同心に配列された多層化スタックを備え、更に、多層化スタックのそれぞれが、各圧電層の極性（例えば、ここに、極性は電場を印加することによって誘導され及び補強される）が交互するように配列された複数の圧電層を含んでいる。各圧電層の極性は分極方向と平行であってもよく、ここに、各圧電層は複数の電極層の対の電極層の間に配列されており、方法は、印加電圧から、印加電圧、圧電層を形成する材料の圧電定数、及び圧電層の数に比例する変位を誘導する工程を含んでいてもよい。
[0027]本明細書に記載の装置の何れかを作製する方法（例えば、形成する方法）も本明細書に記載されている。例えば、ベース層から盛り上がって延びている複数の同心多層スタックを有し、ベース層及び同心多層スタックがキャビティを覆って延びている圧電超音波トランスデューサを形成する方法が、基板上に窒化シリコンベース層を形成する工程と；窒化シリコンベース層上に第１の電極層を形成する工程と；第１の電極層上に第１の圧電層を形成する工程と；第１の圧電層上に第２の電極層を形成する工程と；第２の電極層上に１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層を形成する工程と、を含んでいてもよく、ここに、第１の電極層、第１の圧電層、第２の電極層、及び１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層は、複数の同心多層スタックへパターニングされる。同心多層化スタックは、螺旋を形成してもよく（例えば、同心スタック状に配列されたスタックを有する）、又は複数の同心に配列されたリングを形成してもよい。
[0028]方法は、第１の電極層、第１の圧電層、第２の電極層、及び１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層を、複数のリング形状の多層スタックへリソグラフィー式にパターニングする工程を含んでいてもよい。
[0029]これらの方法の何れかは、基板内に対応するキャビティを形成する工程を含んでいてもよい。第１の圧電層及び第２の圧電層は、第１の圧電層と第２の圧電層が交互極性に配列されるように形成されてもよい。
[0030]複数のリング形状の多層スタックは、ブルズアイパターンを形成するようにベース層上に同心に配列されてもよい。
[0031]幾つかの実施例では、圧電材料を形成する工程は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を堆積させる工程を含んでいる。概して、圧電層のそれぞれは、例えば、０．１μｍ～５μｍ（例えば、０．２５マイクロメートル～３マイクロメートルなど）の範囲の高さを有してもよい。窒化シリコンベース層は、例えば窒化シリコンベース層を少なくとも５００ナノメートルの厚さへ堆積させることによって形成されてもよい。
[0032]これら及び他の実施例、特徴、及び利点が本明細書に説明されている。
[0033]本明細書に記載のＰＭＵＴセルの何れかは、線状アレイ又は２次元アレイの様なＰＭＵＴセルのアレイとして配列され得る。例えば、体内からの信号を（超音波トランスデューサを介して）画像化し及び／又は感知するために使用され得るＰＭＵＴのアレイを含んでいるカテーテルデバイスが本明細書に記載されている。
[0034]本明細書に記載されている実施例の新規性のある特徴が、付随の特許請求の範囲に詳しく示されている。例示としての実施例を示す以下の詳細な説明及び添付図面を参照することによって、実施例の特徴及び利点のより深い理解が得られるだろう。
単一の圧電層を示す一例としての圧電スタックの断面図を示す。 図１Ａに示されているものと同様、同心に配列されたリング形状の圧電スタックを有するＰＭＵＴセルの斜視図及びクローズアップ図（差し込み図）を示す。 ２つの圧電層を有する一例としての圧電スタックの断面図を示す。 図２Ａの同心に配列されたリング形状の圧電スタックを有するＰＭＵＴの斜視図及びクローズアップ図（差し込み図）を示す。 交互極性に配列された圧電素子のスタックを示す。 異なる圧電層厚さを用いて実現されたＰＭＵＴ膜の計算された総変位を示すグラフである。 異なるベース層厚さを用いて実現されたＰＭＵＴ膜の計算された総変位を示すグラフである。 圧電層の半径に対する単一のＰＭＵＴセルの基本モード周波数の計算された変動を示すグラフである。 圧電層の半径に対する単一のＰＭＵＴセルの基本モード周波数の総変位の計算された変動を示すグラフである。 特定のキャビティサイズを有する単一のＰＭＵＴセルの固有モードの総変位の計算された変動を示すグラフである。 単一の酸化亜鉛圧電層を有するリングＰＭＵＴについての計算された共振モード及び変位場に基づくシミュレーションモデルを示す。 単一の窒化アルミニウム圧電層を有するリングＰＭＵＴについての計算された共振モード及び変位場に基づくシミュレーションモデルを示す。 １３．５４ＭＨｚの作業共振周波数を有するリングアレイＰＭＵＴの総変位を示すシミュレーションモデルである。 ４２．９２ＭＨｚの作業共振周波数を有するリングアレイＰＭＵＴの総変位を示すシミュレーションモデルである。 ７８．９８ＭＨｚの作業共振周波数を有するリングアレイＰＭＵＴの総変位を示すシミュレーションモデルである。 図７Ａ－図７Ｃに示されているものと同様のシミュレーションモデルであり、ｚ軸での変位を示す破断領域を示している。 ２つの圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴの共振モードと同じ厚さの単一の圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴの共振モードとについての計算された総変位のシミュレーション結果を比較したグラフである。 超音波トランスデューサによって生成される音響場を示す。 幾つかの実施例によるＰＭＵＴデバイスを形成するための方法を指示するフローチャートを示す。 連続螺旋として構成されている同心に配列された多層化スタックを有するＰＭＵＴ装置の別の実施例を示す。 図１１Ｂ－図１１Ｆは本明細書に記載の同心に配列された多層化スタックを有するＰＭＵＴ装置の実施例を示すものであり、本図は、同心に配列された多層化スタックが連続した矩形（例えば、正方形）の螺旋から形成されている実施例を示す。 同心に配列された多層化スタックが連続した五角形の螺旋から形成されている実施例を示す。 同心に配列された多層化スタックが連続した六角形の螺旋から形成されている実施例を示す。 同心に配列された多層化スタックが連続した八角形の螺旋から形成されている実施例を示す。 同心に配列された多層化スタックが連続した多角形の螺旋から形成されている実施例を示す 本明細書に記載のＰＭＵＴの線状アレイを示す。 側方視リングアレイとして構成されている本明細書に記載のＰＭＵＴのリングアレイを示す。
[0058]ＣＭＵＴデバイス及び従来型ＰＭＵＴデバイスに比較して改善された性能を有する圧電微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）装置（本明細書ではＰＭＵＴセンサを含め、ＰＭＵＴデバイスとも呼ばれる）が本明細書に記載されている。ＣＭＵＴデバイス及び従来型ＰＭＵＴデバイスに比較して、本明細書に記載のＰＭＵＴデバイスは、所与の印加電圧に対し比較的高い周波数及び高い透過深度で動作することができる。これらの特徴は、ＰＭＵＴデバイスを、小型医用画像化デバイスと一体に実施されたときに高解像度画像を提供するのに十分に適したものにする。本明細書に記載されているＰＭＵＴデバイスは、カテーテル（例えば、画像化カテーテル）、指紋センシング、パイプセンサなどを含む、様々なデバイス及びシステムの構成要素となり得る。本明細書には例示としての実施例での寸法が含まれているが、これらの寸法は単にこれらの装置（デバイス及びシステム）を説明するのが目的であり限定しようとするものではないことを理解されたい。特に、本明細書に記載されているＰＭＵＴデバイスは、周波数応答範囲を改変するために修正すること含め、スケールアップされてもよく及び／又は寸法が修正されてもよい。
[0059]図１Ａは、ＰＭＵＴデバイスセル１００の一部である一例としての圧電スタック１０２の一部分を示している。圧電スタック１０２は、基板１０４内の対応するキャビティ１０６を覆って形成された振動膜（ダイアフラムとも呼ばれる）として作用する多層スタック１０３を含んでいる。基板内のキャビティは、例えばＰＭＵＴデバイスの製作中にエッチングプロセスを使用して形成されてもよい。多層スタック膜は、圧電材料で作られた第１の圧電層１０８を含むことができる。圧電層は、電源（例えば、ＡＣ電流源）へ動作的に連結される第１の電極層１１０ａ（例えば、下部電極層）と第２の電極層１１０ｂ（例えば、上部電極層）との間に配置されることができる。圧電層の分極方向は、圧電層の高さ１０７に平行に配列されることができる。多層スタックはまた、一方の電極層（例えば、下部電極層）と基板との間にベース層１１２を含むことができる。電極層に電圧が印加されたとき、圧電層は励起周波数で振動することによって電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する。励起周波数は、圧電セルの幾何学に部分的に依存し得る。この振動が、懸架された多層スタック膜を基板のキャビティ内で偏向させ（１１４）、それによって運動と力（例えば、デバイスの基板／膜に垂直な方向への運動）を生成する。幾つかの実施例では、運動は直線的であるだろう。幾つかの実施例では、運動は直線的でないこともある（例えば、ベース層１１２が振動中の膜へ剛性を追加し、それによって膜の偏向の程度に影響を及ぼすこともあり得る）。図１Ａ－図１Ｂには圧電層が１つしか示されていないが、以下により詳細に説明されている様に、概して、これらの装置の何れかは複数の圧電層を含むことができる。
[0060]幾つかの実施例によれば、ＰＭＵＴデバイスは、単純な丸形又は矩形のＰＭＵＴ構造に比較してＰＭＵＴのより良好な集束を提供することのできる同心に配列された（リングアレイ状の）複数のリング形状圧電スタックを含むことができる。図１Ｂは、圧電トランスデューサ１００を上から見た図を示し、基板１０４上の圧電スタック１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇ、及び１０２ｈを示している。この実施例では、圧電スタック１０２ｂ－１０２ｈはリング形状をしていて、円形状を有する中央の圧電スタック１０２ａの周りに同心に配列されている。圧電スタック１０２ａ－１０２ｈのそれぞれは、図１Ａに関して上述されている圧電スタック１０２の特徴を含むことができる。圧電スタック１０２ａ－１０２ｈのそれぞれが、圧電層１０８と電極層１１０ａ及び１１０ｂとベース層１１２とを含む多層スタック膜を含んでいる。
[0061]概して、これらの装置は１つ又はそれ以上のキャビティを含むことができる。例えば、幾つかの実施例では、装置のセルを形成している多層化スタックのすべてが基板内の単一のキャビティを覆って配列されてもよい。例えば、リング形状の圧電スタック１０２ｂ－１０２ｈが単一のキャビティを覆って配列されてもよく、円形状の圧電スタック１０２ａは同じキャビティを覆って配列される。圧電スタックの外側のリングの外縁がキャビティの周囲に位置決めされてもよい。
[0062]シミュレーションは、リングアレイ配列を有するＰＭＵＴデバイスが、同じサイズ（例えば、直径）の単純な円形又は矩形の圧電セルを有するＰＭＵＴデバイスに比較して、振動周波数の点で改善された性能を提供することができ、つまりは同じ透過深度でより良好な画像化解像度を可能にし得ることを示している。例えば、シミュレーション結果は、リングアレイＰＭＵＴが単一の円形セルを有するＰＭＵＴに比較して、１Ｖの駆動電圧に対しより高い振動振幅を提供できることを示唆している。その様なシミュレーションの実施例が以下に更に説明されている。
[0063]幾つかの実施例によれば、ＰＭＵＴデバイスは複数の圧電層を含んでいる。積重された圧電層は、単一の圧電層を有するＰＭＵＴに比較して組織中の超音波の振動振幅及び透過深度を増加させることができるので、超音波画像化用途では複数の圧電層が有用であるだろう。例えば、シミュレーションが明らかにした様に、リングアレイ配列の積重された圧電層を有するＰＭＵＴはリングアレイ配列の単一の圧電層を有するＰＭＵＴに比較して１５０倍高い振動振幅を有することを示している。図２Ａは、ＰＭＵＴデバイス２００の一部である一例としての圧電スタック２０２の一部分の断面図を示している。圧電スタックは、基板２０４内の対応するキャビティ２０６を覆って形成された多層スタック膜２０３を含んでいる。この実施例では、多層スタック膜２０３は、第１の圧電層２０８ａ（例えば、下部圧電層）と第２の圧電層２０８ｂ（例えば、上部圧電層）を含んでいる。第１の圧電層２０８ａは第１の電極層２１０ａ（例えば、下部電極層）と第２の電極層２１０ｂ（例えば、中部電極層）の間に配置され、第２の圧電層２０８ｂは第２の電極層２１０ｂと第３の電極層２１０ｃ（例えば、上部電極層）の間に配置されることができる。電極層の１つ（例えば、下部電極層）と基板の間のベース層２１２が偏向中の膜へ剛性を提供することができる。図２Ｂは、ＰＭＵＴ２００の広範な斜視図を示し、複数の圧電スタック２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅ、２０２ｆ、２０２ｇ、及び２０２ｈを、圧電スタック２０２ａ－２０２ｈのそれぞれが圧電層２０８ａ、２０８ｂと電極層２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃとベース層２１２とを含んだ状態で、どの様に同心に配列させることができるかを示している。
[0064]図２Ａ及び図２Ｂの実施例は、２つの圧電層を有するＰＭＵＴデバイスを示している。しかしながら、本明細書に記載のＰＭＵＴデバイスは、任意の数の圧電層（例えば、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上の層）を含むことができる。幾つかの実施例では、圧電層は、特定の用途及びサイズの要件に応じて、積重された膜の最大全体スタック厚さ２２０を有し得る。理論的には、圧電層を積重することは理論上では振動の振幅の線形増加につながり得るが、実際には製作誤差が絶対振幅を小さくする可能性がある。例えば、スタック数は２から大凡６２へ増やされてもよい。圧電層の最適数は、例えば各スタックの堆積に伴う損失を分析し定量化することによって決定することができる。幾つかの実施例では、圧電層の最小数は所望性能を実現させるには２～１０の間である。幾つかの実施例では、ＰＭＵＴデバイスは、２～４層の圧電層を有するスタックを含んでいる。
[0065]複数の圧電層を有するＰＭＵＴデバイスについては、圧電層は極性を交互させて配列されてもよい。図３は、交互極性に配列された圧電素子のスタックの一実施例を示している。分極方向に平行に電圧が印加されたとき、歪又は偏向が分極方向に誘導される。図３では、１つおきの電極層（矢印）が第１の電気リード（例えば、電極）へ連結され、それらの間の電極は第２の電気リード（例えば、図３では接地として示されている）へ接続される。したがって、交互するものとして示されている多層化スタック内の電極層は、（ベース層からスタックの高さ方向に上向きに進んで）１つおきの電極層が互いと電気連通していて（例えば、共通のリード又は電極へ接続されており）、残りの電極も同じく互いと電気連通している（例えば、第２の共通のリード又は電極、この場合は接地、へ接続されている）。圧電素子の運動は、印加電圧の量に圧電定数Ｄ33を乗算したものに等しく、圧電定数は電気エネルギーを機械エネルギーへ移行させる場合の材料の効率に関係する。圧電素子は機械的に直列に接続されているので、積重型圧電アクチュエータの総運動は、単一の素子の運動にスタック内の素子数を掛けた積である（ΔＬ＝ｎ×Ｄ33×Ｖ、ここにΔＬはメートル（ｍ）での長さの変化、ｎ＝圧電層の数、Ｖ＝動作電圧、Ｄ33＝縦方向の圧電定数（ｍ／Ｖ））。積重型アクチュエータの総変位は、スタック高さの０．１～０．１５％の間であり得る。複数の圧電層を積重することによって、単一の圧電層に比較して、所与の電圧に対しより高い変位を得ることができる。交互極性は、スタック内部の均一な電場の維持を可能し、しかも接続の容易さを可能にする。
[0066]ＰＭＵＴデバイスの様々な構成要素の材料は、部分的には、特定の用途に関係づけられる性能要件及び他の要件に応じて変わり得る。幾つかの実施例では、圧電層の圧電材料は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムスカンジウム（ＡｌＳｃＮ）、ニオブ酸マグネシウム鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）系材料、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー、のうちの１つ又はそれ以上を含んでいてもよい。例えば、幾つかの医療デバイス用途では、無鉛デバイスが必要とされることがあり、ＰＭＮ－ＰＴ圧電材料を利用しない場合がある。（単数又は複数の）圧電層の厚さ（「高さ」とも呼ばれる）（例えば、１０７）は、部分的には、膜の全体厚さ要件（例えば、膜の最大厚さ）及び圧電層の数に依存して変わり得る。デバイスが単一の圧電層を有する幾つかの実施例（例えば、図１Ａ及び図１Ｂ）では、圧電層の高さは、約０．２５マイクロメートル（μｍ）から約３μｍ（例えば、０．２５～３μｍ、０．５～２μｍ、０．５～１．５μｍ、０．７５～１．２５μｍ、又は０．２５～２μｍ）の範囲であり得る。複数の圧電層を含むデバイスでの各圧電層の高さは、膜スタックの最大全体厚さを超えることを回避するために、単一の圧電層を有する圧電層の高さ未満とすることができる。デバイスが複数の圧電層を有する幾つかの実施例（例えば、図２Ａ及び図２Ｂ）では、各圧電層の高さは、約０．１（μｍ）～約５μｍ（例えば、約０．１～４μｍ、約０．２～３μｍ、約０．２５～２μｍ、約０．７５～１．５μｍ、約０．５～２μｍなど）の範囲であり得る。幾つかの実施例では、１つ又はそれ以上の圧電層の総高さ（例えば、２つ以上の圧電層の場合の組み合わされた高さ）は、約０．２０μｍ～約５μｍ（例えば、約０．２５～３μｍ、約０．５～２μｍ、約０．５～１．５μｍ、約０．７５～１．２５μｍ、約０．２５～２μｍなど）の範囲である。前述の様に、これらの寸法は特定の実施例の説明のみを目的としており、これらの寸法はデバイスのスケール及びその意図される周波数範囲に基づいて変わり得る。
[0067]幾つかの実施例では、ベース層は、圧電セラミック材料を含んでいる。場合によっては、ベース層は酸化シリコン（ＳｉＯ2）及び／又は窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を含んでいる。幾つかの用途では、窒化シリコン層は、所与の厚さについて酸化シリコンに比較してより良好な応答性を提供することができることから好ましい場合がある。
[0068]ベース層の厚さは、部分的には、多層スタック膜の厚さに依存し得る。ベース層は、多層スタック膜が過度に曲がってデバイスの脆弱性を増大させるのを防ぐための十分な剛性を提供するべく十分に厚くなくてはならない。また一方で、ベース層は、多層スタック膜が圧電機能性のために十分に振動できるようにするために十分に薄くなくてはならない。単一の圧電層を有するデバイス（例えば、図１Ａ及び図１Ｂ）については、ベース層の厚さは、約２００ナノメートル（ｎｍ）～約６００ｎｍ（例えば、約２００～６００ｎｍ、約２００～４００ｎｍ、約３００～４００ｎｍ、約３００～５００ｎｍなど）の範囲であり得る。２つ又はそれ以上の圧電層を有するデバイス（例えば、図２Ａ及び図２Ｂ）については、ベース層の厚さは、約４００ｎｍ～約７００ｎｍ（例えば、約４００～７００ｎｍ、約４００～６００ｎｍ、約５００～６００ｎｍ、約５００～７００ｎｍなど）の範囲であり得る。３つ以上の圧電層を有するデバイスについては、ベース層の厚さは、例えば、約５００ｎｍ～約１０００ｎｍ（例えば、約５００～１０００ｎｍ、約７００～１０００ｎｍ、約６００～１０００ｎｍなど）の範囲であり得る。幾つかの実施例では、２つ又はそれ以上の圧電層を有するデバイスについて、ベース層は少なくとも５００ｎｍであってもよい。これらの寸法は説明のみを目的とする。前述の様に、本明細書に記載のデバイスは、所望の周波数特性及びデバイス使途に基づいて、より大きい寸法又はより小さい寸法へスケールされ得る。
[0069]場合によっては、（単数又は複数の）圧電層とベース層の厚さは、デバイスの固有モード周波数に基づいている。図４Ａ及び図４Ｂは、ＰＭＵＴデバイスについての７６．７５ＭＨｚの周波数モードに基づく２Ｄシミュレーションの結果を示すグラフである。図４Ａは、圧電層の異なる厚さについて実現された膜の計算された総変位を示している。これらの結果は、約０．４μｍ～０．６μｍの間の総圧電層厚さが、７６．７５ＭＨｚの振動周波数モードにとって最適な膜変位を提供し得ることを示唆している。図４Ｂは、ベース層の異なる厚さについて実現された膜の計算された総変位を示している。これらの結果は、約０．４μｍ～０．６μｍの間のベース層厚さが、７６．７５ＭＨｚの振動周波数モードにとって最適な膜変位を提供し得ることを示唆している。
[0070]電極層の材料は、性能要件及び場合によっては製作コストに応じて変わり得る。幾つかの実施例では、電極層は、アルミニウム、金、及び／又は白金で作られるか又は含んでいる。幾つかの実施例では、電極層は、それぞれ、異なる金属のサブ層を含んでいる。例えば、場合によっては、各電極層は、白金層とチタン層（例えば、２００：２０ｎｍのＰｔ／Ｔｉ）、白金層とクロム層（例えば、２００：２０ｎｍのＰｔ／Ｃｒ）、金層とチタン層（例えば、２００：２０ｎｍのＡｕ／Ｔｉ）、又は金層とクロム層（例えば、２００：２０ｎｍのＡｕ／Ｃｒ）を含んでいる。幾つかの実施形では、各電極層は異なる材料で作られていて、画像化用途での良好なコントラストを提供するようになっていてもよい。例えば、幾つかの実施例では、第１の電極層（例えば、下部電極層）は白金で作られ、第２の電極層（例えば、上部電極層）は金で作られていてもよい。それらの電極層の厚さは、部分的には、電極層の（単数又は複数の）材料に依存して変わり得る。電極材料は、良好な接着性を提供し且つ音響損失を防止するうえで十分に厚くなくてはならず、しかも膜の全体厚さに過度に寄与しないように十分に薄くなくてはならない。幾つかの実施例では、各電極層は、約１００ｎｍ～約４００ｎｍ（例えば、１００～４００ｎｍ、１５０～３００ｎｍ、１００～３００ｎｍ、又は２００～４００ｎｍ）の範囲の厚さを有することができる。
[0071]ＰＭＵＴデバイスの様々な構成要素の寸法は、部分的には、性能要件に応じて変わり得る。図５Ａ－図５Ｃは、ＰＭＵＴデバイスの振動周波数及び総変位に対する圧電層半径の影響を見極めるための単一のＰＭＵＴセルの２Ｄシミュレーションからの結果を示している。この情報は、リングアレイ配列を有するＰＭＵＴの性能推定に用いることができる。図５Ａは、圧電層の半径に対する単一のＰＭＵＴセルの基本モード周波数の計算された変動を示すプロットである。図５Ｂは、圧電層の半径に対する単一のＰＭＵＴセルの基本モード周波数の総変位の計算された変動を示すプロットである。それらの結果は、デバイスのダイアフラムの半径が小さいほど、基本モード周波数は高く、振動振幅は低くなることを示唆している。図５Ｃは、異なる振動周波数での特定のキャビティサイズ（１５μｍのキャビティ半径と４０μｍｘ４０μｍのセル寸法）を有する単一のＰＭＵＴセルの固有モードの総変位の計算された変動を示すプロットである。図５ＣのＰＭＵＴ（１５μｍのキャビティ半径と４０μｍｘ４０μｍのセル寸法を有する）は、１４．４ＭＨｚの基本モード周波数を有すると計算されているにもかかわらず、ＰＭＵＴはより高い周波数モード（例えば、約７６．６７ＭＨｚ）にてより低い振動振幅で励起され得ることに注目されたい。幾つかの用途では、以下の寸法の圧電スタック、即ち、キャビティ高さ（例えば、図１Ａ、１１６）及び圧電層の半径／幅（例えば、図１Ａ、１１９）が約５０μｍ～約３００μｍ（例えば、５０～３００μｍ、１００～２００μｍ、又は７５～１５０μｍ）の範囲にあり、キャビティ半径／幅（図１Ａ、１１８）が約５μｍ～約２０μｍ（例えば、５～２０μｍ、１０～２０μｍ、又は１５～３０μｍ）の範囲にある圧電スタック、を有するリングアレイＰＭＵＴデバイスが、カテーテル感知用途に十分に適した性能を提供することが判明した。
[0072]圧電スタックリングの数及びリングピッチ（リング間の距離）は、単一のＰＭＵＴセルのシミュレーション（例えば、２Ｄ及び／又は３Ｄシミュレーション）に基づいて選択されてもよい。図１Ａ－図１Ｂ及び図２Ａ－図２Ｂの一例としてのＰＭＵＴデバイスは、８つの同心に配列された圧電スタックを含んでいるが、ＰＭＵＴデバイスは、任意の数の同心に配列された圧電スタック（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、又はそれ以上）を含むことができる。幾つかの実施例では、リングピッチは約０．２５μｍから約３μｍ（例えば、０．２５～３μｍ、１～２μｍ、０．５～１．５μｍ、又は１～２μｍ）の範囲である。１つの実施形では、３０μｍのＰＭＵＴセルについて８つのスタックを許容するために１μｍのリングピッチが維持されている。これは、ＰＭＵＴセルの励起周波数を強化することによって調整性を改善することができる。
[0073]ＰＭＵＴデバイスの全体的な寸法は小さいので、１つ又はそれ以上のＰＭＵＴデバイスを超音波画像化カテーテルの様な小型医療デバイス内に一体化させることができる。例えば、幾つかの実施例では、図１２Ａに示されている様に、ＰＭＵＴのアレイがデバイス上に配列されてもよい。図１２Ａでは、本明細書に記載のＰＭＵＴ１２０５の線状アレイ１２０１が示されている。この実施例では、本明細書き記載のＰＭＵＴのアレイは線を形成している。幾つかの実施例では、ＰＭＵＴセル１２０５は、（例えば、カテーテルの一部である）デバイス上に、側方を向いたアレイを形成するように配列されてもよい。例えば、ＰＭＵＴセルの線配列をカテーテルの周りに、各線アレイ（例えば、一例として５．６２５°の開口角を有する）が側方視リングアレイを形成するようにして設置してもよい。側方視線状アレイ、前方視リングアレイ、前方視線状アレイなどを含め、他のアレイ構成も実施可能である。図１２Ｂは、側方視リングアレイ１２０３として構成されているＰＭＵＴ１２０５の配列を示している。別の実施例では、最少の６４素子につき５μｍ～３５μｍの直径を有するリングアレイが３Ｆｒのカテーテル上に位置決めされてもよい。より大きいカテーテルは、より大きいリングアレイを使用してもよい。
[0074]本明細書に記載されているセンサ（ＰＭＵＴデバイス）の何れかは、概して、極めて小さい直径を有し得る。例えば、各ＰＭＵＴセンサは、直径が５０μｍ以下（例えば、４５μｍ以下、４０μｍ以下、３５μｍ以下、３０μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下など）であってもよい。
[0075]ＰＭＵＴデバイスの別の性能パラメータは透過深度であって、これは利用可能な制御の最適化（大抵は最深送信焦点設定及び最大利得時）にもかかわらず電子ノイズが見られ、ＰＭＵＴを横に動かしても電子ノイズが固定深度に留まるときの最小走査深度に相当する。透過は主にトランスデューサの中心周波数によって決まり、組織を通って進む超音波の吸収は周波数と共に増加するので周波数が高いほど透過は浅くなる。所与の周波数について透過の深度（ｄｐ）を推定するための有用な第１の近似値は、ｄｐ＝６０／ｆ ｃｍ－ＭＨｚであり、ここにｆはＭＨｚである。吸収係数（単位深度あたりの音響パワー損失）は周波数の関数であり、組織ごとに異なる（軟組織についての値は０．６～１．０ｄＢ／ｃｍ－ＭＨｚの範囲である）。音響損失を表すより一般的な用語は減衰係数であり、これは散乱及び拡散に因る追加の損失を含み、したがって常に吸収係数よりも大きい。減衰係数は極めて患者依存性且つ音響経路依存性であり、したがって正確にシミュレートするのは困難である。それを高精度に予測するシミュレーションモデルを持つために、実験データから値を抽出し、それらをモデルへ追加して堅牢なモデルを得ることができる。以下は、一例としてのＰＭＵＴデバイスである。
実施例１：単一圧電層ＰＭＵＴデバイス
[0077]下表１の仕様による単一の圧電層を有する圧電スタック（図１Ａ及び図１Ｂ）を備えたリングアレイ構成を有するＰＭＵＴデバイスに基づいてシミュレーションが行われた。
Figure 2023522132000002
[0078]図６Ａは、単一の酸化亜鉛（ＺｎＯ）圧電層を有するＰＭＵＴについての計算された共振モード及び変位場に基づく３Ｄシミュレーションモデルからの結果を示している。６３．６３ＭＨｚの作業周波数と５０ナノメートル（ｎｍ）の総変位が、ＺｎＯ圧電層を有するリングＰＭＵＴを使用して計算されており、これはＺｎＯ圧電層を有する円形ＰＭＵＴに比較して振幅が大凡１０倍大きい。図６Ｂは、単一の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴについての計算された共振モード及び変位場に基づく３Ｄシミュレーションモデルからの結果を示している。６３．５９ＭＨｚの作業周波数と１マイクロメートル（μｍ）の総変位が、ＡｌＮ圧電層を有するリングＰＭＵＴを使用して計算されており、これはＡｌＮ圧電層を有する円形ＰＭＵＴに比較して振幅が大凡７１倍大きい。
実施例２：二重圧電層ＰＭＵＴデバイス
[0080]下表２の仕様による２つの圧電層を有する圧電スタック（図２Ａ及び図２Ｂ）を備えたリングアレイ構成を有するＰＭＵＴデバイスに基づいてシミュレーションが行われた。
Figure 2023522132000003
[0081]図７Ａ－図７Ｄは、３つの作業共振周波数、即ち、１３．５４ＭＨｚ（図７Ａ）、４２．９２ＭＨｚ（図７Ｂ）、及び７８．９８ＭＨｚ（図７Ｃ及び図７Ｄ）、についてのリングアレイＰＭＵＴの総変位（μｍ）を表すシミュレーション結果を示している。３つの作業共振周波数についてのＰＭＵＴデバイスの計算された透過深度は下表３に要約されている。
Figure 2023522132000004
[0082]これらの結果は、ＰＭＵＴデバイスが、約１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも４ｃｍの透過深度、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも０．６ｃｍの透過深度（例えば、０．６ｃｍ超）、及び／又は、約３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の作業周波数と少なくとも１ｃｍの透過深度、を有し得ることを示唆している。ＰＭＵＴの最も高い作業周波数（約７０～８０ＭＨｚ）でさえ、小型デバイス（例えば、３フレンチのカテーテル）のための高い透過深度を提供する。
[0083]図８は、２つのＺｎＯ圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴの共振モードと同じ厚さの単一のＺｎＯ圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴの共振モードとについての計算された総変位（μｍ）のシミュレーション結果を比較したグラフである。シミュレーション結果は、２つのＺｎＯ圧電層を有するリングアレイＰＭＵＴがより高い解像度を提供する周波数の利得を提供しており、圧電スタックの二重化は、同じ厚さの単一の圧電スタックに比較して、単位駆動電圧での総変位に増加をもたらすことを示唆している。
[0084]幾つかの用途では、ＰＭＵＴデバイスは、超音波画像化カテーテル内に実施されている。本明細書に記載されている圧電トランスデューサの高い透過深度及び小型サイズは、トランスデューサを小径のカテーテル内／上へ一体化するのに十分に適したものにすることができる。概して、トランスデューサの焦点距離は、トランスデューサの面から音場内の最大振幅を有する信号が位置する点までの距離である。焦点の合っていないトランスデューサでは、これはトランスデューサの面からトランスデューサの近距離音場長さに大凡等しい距離にて起こる。図９は、超音波トランスデューサによって生成される音響音場の概略表現を示している。最後の信号最大値は近距離音場と同等の距離にて起こるので、トランスデューサはその近距離音場よりも大きい距離に音響的に焦点を合わせられない。近距離音場限界距離Ｎ（near field distance）（図９では「Ｚ」と表記）は、
Ｎ＝Ｄ2ｆ／４ｃ
として計算される。
[0085]ここに、Ｄはトランスデューサ直径、ｆは周波数、ｃは媒体中の音の速さ（血液中では１５４０ｍ／ｓ）である。焦点距離Ｆは、トランスデューサとターゲットゾーンである焦点との間の距離である。個々のＰＭＵＴセル（例えば、単純な円形又は矩形のセル）は焦点が合っていない可能性があり、したがって、それらの焦点距離は、それらの近距離音場の長さであると考えることができる。ここに説明されているリングアレイの様なアレイ状に（例えば、スタックのリングアレイとして）組み立てられたＰＭＵＴセルは、集束効果を生じさせることができる。関心事である異なる共振モードでの２つの圧電層を有するＰＭＵＴ（実施例２）についての計算された近距離音場限界距離Ｎが下表４に提供されている。
Figure 2023522132000005
[0086]計算された結果は、ＰＭＵＴデバイスが、約１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の作業周波数と約１μｍ～約３μｍの近距離音場限界距離、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の作業周波数と約５．５μｍ～約６．５μｍの近距離音場限界距離、及び／又は、約３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの作業周波数と約１０．５μｍ～約１２．５μｍの近距離音場限界距離、を有し得ることを示唆している。
[0087]リングアレイＰＭＵＴデバイスの１つ又はそれ以上が、カテーテル内及び／又はカテーテル上に組み入れられてもよい。場合によっては、１つ又はそれ以上のトランスデューサは、カテーテルの周りに円形リングを形成する。場合によっては、１つ又はそれ以上のトランスデューサが、画像化カテーテルの、例えばカテーテルの遠位端又はその付近の外部壁上に設けられる。その様な配列では、（単数又は複数の）トランスデューサは、カテーテルの側面に沿って（例えば、カテーテルの中心軸から半径方向外向きに）画像をキャプチャして、カテーテルに沿った側方視界を提供することができる。代替的又は追加的には、１つ又はそれ以上のトランスデューサは画像化カテーテルの遠位先端に位置決めされてもよい。その様な配列では、（単数又は複数の）トランスデューサは、カテーテルからの前方視界についてカテーテルの前面（例えば、遠位先端）から画像をキャプチャするセンサとして構成され得る。場合によっては、医用画像化で使用するためのトランスデューサは無鉛とされることがある。したがって、例えば、圧電材料は、酸化亜鉛の様な非鉛系材料で作られてもよい。
[0088]本明細書に記載のＰＭＵＴデバイスは、幾通りもの形状及び配列を有するものを含めることができ、図１Ａ－図１Ｂ及び図２Ａ－図２Ｂの実施例に限定されない。幾つかの実施例では、圧電セルは、円形の形状をしたリングではなく、同心に配列された多角形（例えば、正方形、三角形、長方形、五角形、又は六角形）、楕円形、又は長円形の形状をしたリングを含んでいてもよい。幾つかの実施例では、１つ又はそれ以上の圧電スタックは、トランスデューサの中心から巻いている螺旋状／渦状の形状を有していてもよい。異なる形状及び構成は、トランスデューサへ特定の指向性を提供することができ、これは特定の用途では有用なこともある。また一方で、特定の形状は、デバイスの設計及び製作の複雑さを増大させる可能性がある。ゆえに、より単純な構成が望まいこともあるだろうし、特定の用途向けの適切な性能を提供することができるだろう。
[0089]図１０は、幾つかの実施例によるＰＭＵＴデバイスの圧電セルを形成する方法を指示するフローチャート１０００を示している。多種多様な製作技法が使用され得る。１つの実施例では、リングアレイ構造に従って圧電セルを形成するには、プロセス１００１－１０１１のそれぞれが基板（例えば、ウェーハ）上でリングアレイパターン（例えば、図１Ｂ又は図２Ｂ）に従って遂行されることになる。１００１にて、基板上にベース層が形成されることになる。場合によっては、ベース層は、プラズマ強化化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）又は低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）の様な堆積プロセスによって形成される。場合によっては、基板（例えば、シリコン）は、堆積前に洗浄され又はエッチングされる。例えば、酸性溶液（例えば、フッ化水素酸）を用いて熱酸化物が除去されてもよい。場合によっては、ベース層は両面堆積とされる――基板（例えば、シリコン）異方性ウェットエッチングのためのマスクとして使用されることになる。１００３にて、第１の（例えば、下部）電極層が、ベース層上に形成される。幾つかの実施例では、ベース層は、イオンビームスパッタリングによって堆積され、フォトリソグラフィー技法によってパターニングされ、そしてウェットエッチングされる（例えば、Ｈ3ＰＯ4溶液を使用）。代替的又は追加的には、多層スタックが基板上に堆積され（例えば、全層）、個々の電極層及び個々の圧電層について一度に１つずつパターンがエッチングされてもよい。
[0090]１００５にて、第１の電極層上に圧電層が形成される。幾つかの実施例では、圧電層はマグネトロンスパッタリングプロセスの様なスパッタリングプロセスを用いて形成される。場合によっては、圧電層は、良好な圧電特性を提供する助けとなる結晶構造を実現するように堆積される。例えば、ＺｎＯ層は、（００２）面に沿って優先的に配向した柱状結晶子を有する緻密充填構造を呈し得る。場合によっては、圧電層は、（例えば、Ｈ3ＰＯ4溶液を用いたウェットエッチングによって）パターニングされる。１００７にて、圧電層上に第２の（例えば、上部）電極層が形成される。幾つかの実施例では、第２の電極層は、イオンビームスパッタリングによって堆積され、リフトオフ処理によってフォトリソグラフィー式にパターニングされる。１００９にて、方法は、複数の圧電層を有するＰＭＵＴを形成するために１つ又はそれ以上の追加の圧電層及び電極層を形成する工程を随意的に伴ってもよい。これは、プロセス１００５及び１００７を繰り返すことを伴うことになる。
[0091]１０１１にて、基板にキャビティが形成される。場合によっては、キャビティを形成する工程は複数のプロセスを伴う。場合によっては、キャビティを形成する工程は、裏面膜（例えば、Ａｕ／Ｃｒ）堆積を伴い、その場合、裏面膜がウェーハの裏面に堆積され、バックツーフロントアラインメントフォトリソグラフィー技法によってパターニングされ、ウェットエッチングプロセス、続いてベースの層の誘導結合プラズマドライエッチングが行われて、基板（例えば、シリコン）ウェットエッチングのためのマスクが形成される。場合によっては、キャビティを形成する工程は、裏面マスクエッチングプロセスを伴い、その場合、ウェーハ基板は、ダイアフラムを解放するためにエッチャント（例えば、７０ＣのＫＯＨエッチャント）を用いて異方性にエッチングされる。場合によっては、キャビティを形成する工程はバルク加工プロセスを伴い、その場合、バルク基板材料（例えば、シリコン）は、要求されるキャビティ厚さが実現されるまでエッチング（例えば、ウェットエッチング）される。場合によっては、キャビティを形成する工程は、裏面酸化物エッチングを伴い、その場合、酸性溶液（例えば、フッ化水素酸溶液）によって酸化物がダイアフラムから除去される。場合によっては、ＰＭＵＴデバイスの製作は、ウェーハ洗浄プロセスを含み、その場合、ウェーハは固定具から降ろされた後に（例えば、脱イオン水で）洗浄される。
[0092]上述の様に、本明細書に記載の装置は、概して、複数の同心に配列された多層化スタックを含んでいる。幾つかの実施例（例えば、図１Ｂ及び図２Ｂに示されている）では、同心に配列された多層化スタックは、複数の別々のリング形状の同心の多層化スタックから形成される。代替的に、幾つかの実施例では、同心に配列された多層化スタックは、図１１Ａ及び図１１Ｂ－図１１Ｆに示されている様に連続した螺旋から形成されることもできる。例えば、図１１Ａでは、セルは、同心に配列された多層化スタック１１０２を形作る単一の螺旋で形成されている。螺旋は、一定のピッチ（２つの電極間の中心間距離）、一定の電極厚さ及び電極幅で外向きに巻いている。こうして図１１Ａに示されている螺旋は同心に配列された（そして互いに連続する）８つのループを有している。
[0093]同様に、図１１Ｂ－図１１Ｆは、本明細書に記載の超音波トランスデューサ装置（例えば、ＰＭＵＴデバイス）の他の実施例を示しており、基板上の複数の同心に配列された多層化スタックは多角形の螺旋から形成されている。図１１Ａ－図１１Ｆは、すべて、ＰＭＵＴセルの異なる多角形形状を示しており、ＰＭＵＴセルの辺の数は、図１１Ｂでは４、図１１Ｃでは５、図１１Ｄでは６、図１１Ｅでは８、及び図１１Ｆでは１６である。ゆえに、複数の同心に配列された多層化スタックとは、２つ以上の別々であって且つ同心に配列されたスタック、単一の同心に螺旋を描いている多層化スタック、複数の同心に螺旋を描いている多層化スタック、又は同心螺旋状スタックと１つ又はそれ以上の別々の被包囲／包囲スタックとの組合せ、を指すとしてもよい。
[0094]本明細書に記載されている装置の何れかでは、複数の同心に配列された多層化スタックは、同心に配列されたスタック間のギャップ（例えば、エアギャップ又は空間）によって分離されていてもよい。図１１Ａ－図１１Ｆでは、ギャップはスタックと大凡同じ幅であるが、幾つかの実施例ではギャップはより大きい又はより小さいこともある。
[0095]本明細書で或る特徴又は要素が別の特徴又は要素「上」にあるという場合、それは直接的に他方の特徴又は要素上にあることもあれば、介在する特徴及び／又は要素が存在していることもある。対照的に、或る特徴又は要素が「直接的に」別の特徴又は要素「上」にあるという場合、介在する特徴又は要素は存在していない。同じく理解しておきたいこととして、或る特徴又は要素が別の特徴又は要素へ「接続されている」、「付着されている」、又は「連結されている」という場合、それは、直接的に他方の特徴又は要素へ接続されている、付着されている、又は連結されていることもあれば、介在する特徴又は要素が存在していることもある。対照的に、或る特徴又は要素が別の特徴又は要素へ「直接的に接続されている」、「直接的に付着されている」、又は「直接的に連結されている」という場合、介在する特徴又は要素は存在していない。特徴及び要素は、１つの実施例に関して説明され又は示されていても、その様に説明され又は示されている特徴又は要素は他の実施例へ適用することができる。当業者には理解される様に、構造又は特徴が別の特徴に「隣接して」配置されているとの言及について、構造又は特徴は隣接する特徴と重なり合う部分又は下に横たわる部分を有していることもある。
[0096]本明細書で使用されている用語遣いは、専ら特定の実施例を説明することが目的であり、発明を限定しようとするものではない。例えば、本明細書での使用に際し、原文の単数を表す冠詞「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の対訳である「或る」、「一」、及び「当該」は、別途文脈によって明白に指示されていない限り、複数形も含むものとする。更に理解しておきたいこととして、「備える」及び／又は「備えている」は、本明細書で使用されているときには、記載の特徴、工程、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指示するが、１つ又はそれ以上の他の特徴、工程、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除しない。本明細書での使用に際し、「及び／又は」という用語は、関連付けて挙げられている品目の１つ又はそれ以上から成るありとあらゆる組合せを含み、「／」として簡約されることもある。
[0097]「下」、「下方」、「下側」、「上」、「上側」などの様な空間関係用語は、本明細書では、図に例示されている１つの要素又は特徴の別の（単数又は複数の）要素又は（単数又は複数の）特徴に対する関係性を説明する場合の記述を容易にするために使用されることがある。理解しておきたいこととして、空間関係用語は、図中に描かれている向きに加え、使用時又は動作時のデバイスの異なる向きも網羅するものとする。例えば、図中のデバイスが反転された場合、他方の要素又は特徴の「下」又は「裏」と記述されている要素は他方の要素又は特徴の「上」に向き付けられることになる。したがって、例示としての「下」という用語は、上の向きと下の向きのどちらも網羅することがある。デバイスはそれ以外の向きである（例えば、９０度回転されている又は他の向きにある）こともあり、ここに使用されている空間関係記述子は相応に解釈され得る。同様に、「上向き」、「下向き」、「垂直」、「水平」などの用語は、本明細書では、別途明確に指示されていない限り、解説のみを目的として使用される。
[0098]「第１」及び「第２」という用語は、本明細書では、様々な特徴／要素（工程を含む）を説明するのに使用されることがあり、これらの特徴／要素は、別途文脈によって指示されていない限り、これらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの特徴／要素を別の特徴／要素と区別するために使用されることがある。したがって、本発明の教示から逸脱することなく、以下に論じられている第１の特徴／要素が第２の特徴／要素と呼称されることもあり得るし、また同様に以下に論じられている第２の特徴／要素が第１の特徴／要素と呼称されることもあり得る。
[0099]本明細書及び付随の特許請求の範囲全体を通して、文脈上別段の必要がない限り、「備える」という用語ならびに「備えている」の様な変化形は、様々な構成要素が方法及び物品（例えば、デバイスを含む組成及び装置ならびに方法）に共同で採用され得ることを意味する。例えば、「備えている」という用語は、何れかの記載の要素又は工程の包含を含意するが、何れかの他の要素又は工程の除外を含意しないことを理解しておきたい。
[0100]概して、本明細書に記載の装置及び方法は、包含的であるものと理解されるべきであるが、構成要素及び／又は工程のすべて又はサブセットが、代替的には排他的であることもあり、様々な構成要素、工程、サブ構成要素、又はサブ工程「から成る」又は代替的には「から本質的に成る」と表されてもよい。
[0101]実施例での使用を含め本明細書及び特許請求の範囲での使用に際し、別途明確に表されていない限り、すべての数は、たとえ「約」又は「大凡」という語が明示的に登場していなくてもその様な語によって前置きされているかのように読まれることができる。「約」又は「大凡」という語句は、大きさ及び／又は位置を記述するときに、記述の値及び／又は位置が値及び／又は位置の合理的な期待範囲内であることを示唆するために使用され得る。例えば、数値は、記載の値（又は値の範囲）の＋／－０．１％、記載された値（又は値の範囲）の＋／－１％、記載の値（又は値の範囲）の＋／－２％、記載の値（又は値の範囲）の＋／－５％、記載の値（又は値の範囲）の＋／－１０％、である値を有するとしてもよい。本明細書で与えられる何れかの数値はまた、別途文脈によって指示されていない限り、約又は大凡の当該値を含むものと理解されたい。例えば、「１０」という値が開示されている場合、「約１０」も開示されている。本明細書に列挙されている何れかの数的範囲は、その中に包含されるすべてのサブ範囲を含むものとする。同じく、値が開示されているときには、当業者によって適切に理解されるところの、値「以下」、「値以上」、及び値間の可能な範囲も開示されているものと理解する。例えば、「Ｘ」という値が開示されている場合、「Ｘ以下」ならびに「Ｘ以上」（例えば、Ｘが数値である場合）も開示されていることになる。更に出願全体を通して、データは多数の異なる形式で提供されること、及び、このデータは、終点及び始点ならびにデータ点の任意の組合せについての範囲を表現するものと理解する。例えば、特定のデータ点「１０」及び特定のデータ点「１５」が開示されている場合、１０及び１５より大きい、１０及び１５以上、１０及び１５未満、１０及び１５以下、及び１０及び１５に等しい、も開示されていると見なされ、同様に１０と１５の間も開示されているとみなされるものと理解する。また、２つの特定の単位間の各単位も開示されているものと理解する。例えば、１０と１５が開示されている場合、１１、１２、１３、及び１４も開示されていることになる。
[0102]様々な説明目的の実施例が以上に記載されているが、様々な実施例には特許請求の範囲によって記述されている発明の範囲から逸脱することなく多くの変更の何れかがなされてもよい。例えば、様々な記載の方法工程が遂行される順序は、多くの場合、代替的な実施例では変更される可能性があり、また他の代替的な実施例では１つ又はそれ以上の方法工程がそっくり省略されることもあるだろう。様々なデバイス及びシステムの実施例の随意的な特徴が幾つかの実施例には含まれ他の実施例には含まれないこともあるだろう。したがって、前述の説明は、主に例示を目的として提供されており、特許請求の範囲に示されているところの発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
[0103]本明細書に含まれる実施例及び例示は、主題が実践され得る具体的な例を実例として示すものであり、限定として示しているのではない。述べられている様に、他の実施例が利用され及びそこから導き出され、その結果、この開示の範囲から逸脱することなく構造的及び論理的な置き換え及び変更がなされる可能性がある。発明の主題のその様な実施例が本明細書では「発明」という用語で個別に又は集合的に言及されることがあり、それは単に便宜上のことであり、実際に２つ以上の発明又は発明概念が開示されている場合にこの出願の範囲を何れかの単一の発明又は発明概念に自発的に限定しようとするものではない。ゆえに、本明細書には特定の実施例が例示され及び説明されているが、同じ目的を実現するように計算された何れかの配列が、示されている特定の実施例の代わりに用いられてもよい。この開示は、様々な実施例のありとあらゆる適応形又は変化形を網羅することを意図している。当業者には、上記説明を再考することで、上記実施例及び本明細書に具体的に記載されていない他の実施例の組合せが明らかであろう。
１００ ＰＭＵＴデバイスセル
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇ 圧電スタック
１０３ 多層スタック
１０４ 基板
１０６ キャビティ
１０７ 圧電層の高さ
１０８ 第１の圧電層
１１０ａ 第１の電極層
１１０ｂ 第２の電極層
１１２ ベース層
１１４ 変位
１１６ キャビティ高さ
１１８ キャビティ半径／幅
１１９ 圧電層半径／幅
２００ ＰＭＵＴデバイス
２０２、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅ、２０２ｆ、２０２ｇ、２０２ｈ 圧電スタック
２０３ 多層スタック膜
２０４ 基板
２０６ キャビティ
２０８ａ 第１の圧電層
２０８ｂ 第２の圧電層
２１０ａ 第１の電極層
２１０ｂ 第２の電極層
２１０ｃ 第３の電極層
２１２ ベース層
２２０ 最大全体スタック厚さ
１１０２ 同心に配列された多層化スタック
１２０１ 線状アレイ
１２０３ リングアレイ
１２０５ ＰＭＵＴ
Ｄ トランスデューサ直径
Ｆ 焦点距離
Ｚ 近距離音場限界距離

Claims (36)

  1. 圧電超音波トランスデューサデバイスであって、
    ベース層から盛り上がって延びている複数の同心多層化スタックを備え、前記複数の多層化スタック及び前記ベース層はキャビティを覆って配列され、前記同心多層化スタックは空間によって分離されており、更に、前記同心多層化スタックのそれぞれが複数の圧電層を含み、各圧電層は電極層の間に配列されている、デバイス。
  2. 圧電超音波トランスデューサデバイスであって、
    ベース層から高さまで盛り上がって延びている複数のリング形状の同心多層化スタックを備え、前記複数の同心多層化スタック及び前記ベース層はキャビティを覆って配列され、前記同心多層化スタックはブルズアイパターンに配列されており、更に、前記多層化スタックのそれぞれが複数の圧電層を含み、各圧電層は電極層の間に配列され、各同心多層化スタック内の前記圧電層は各同心多層化スタックの前記高さの方向に沿って極性が交互するようになっている、デバイス。
  3. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記同心多層化スタックは、それぞれ、２乃至８つの圧電層を含んでいる、デバイス。
  4. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
    各スタック内の前記圧電層は、当該圧電層の前記極性が各同心多層化スタックの前記ベース層に垂直な方向に沿って交互するように構成されている、デバイス。
  5. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記基板はシリコンを備えている、デバイス。
  6. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記ベース層は窒化シリコンベース層を備えている、デバイス。
  7. 請求項６に記載のデバイスにおいて、
    前記窒化シリコンベース層は少なくとも５００ナノメートルの厚さを有している、デバイス。
  8. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記複数の圧電層は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムスカンジウム（ＡｌＳｃＮ）、ニオブ酸マグネシウム鉛－チタン酸鉛（ＰＭＮ－ＰＴ）系材料、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー、のうちの１つ又はそれ以上を備えている、デバイス。
  9. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    各圧電層の分極方向は、各同心多層化スタックの前記ベース層に垂直な方向に平行に配列されている、デバイス。
  10. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記圧電層は、それぞれ、０．２５マイクロメートル～３マイクロメートルの範囲の厚さを有している、デバイス。
  11. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記デバイスは、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも０．６ｃｍの透過深度を有する、デバイス。
  12. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記デバイスは、３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも１ｃｍの透過深度を有する、デバイス。
  13. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記デバイスは、１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の作業周波数を有し、少なくとも４ｃｍの透過深度を有する、デバイス。
  14. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、
    前記デバイスは、前記１つ又はそれ以上の圧電層の高さの少なくとも０．１パーセントの計算された変位を有する、デバイス。
  15. 請求項１又は２に記載のデバイスであって、
    各同心多層化スタックの前記電極層の第１のサブセットと電気連通している第１の電気リードと、各同心多層化スタックの前記電極層の第２のサブセットと電気連通している第２の電気リードと、を更に備えているデバイス。
  16. 請求項１５に記載のデバイスにおいて、
    各同心多層化スタック内で、前記電極層の前記第１のサブセットの電極層は前記電極層の前記第２のサブセットの電極層と交互している、デバイス。
  17. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
    前記複数の同心多層化スタックは、当該複数の同心多層化スタックを形成する螺旋を備えている、デバイス。
  18. 圧電超音波トランスデューサデバイスを動作させる方法であって、前記方法は、
    圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に電圧を印加する工程であって、ここに、前記圧電超音波トランスデューサは複数の同心多層化スタックを備え、各多層化スタックはキャビティを覆ってベース層から盛り上がって延びており、更に、前記同心多層化スタックのそれぞれが複数の圧電層を含み、各圧電層は前記複数の電極層の２つの電極層の間に配列されている、電圧を印加する工程と、
    前記印加電極から、当該印加電極、前記圧電層を形成する材料の圧電定数、及び前記圧電層の数に比例した変位を誘導する工程と、を備えている、方法。
  19. 請求項１８に記載の方法において、
    前記複数の圧電層は、当該圧電層のそれぞれの極性が交互するように配列されており、更に、前記電圧を印加する工程は、前記圧電層のそれぞれの前記極性の方向に平行である分極方向に前記電圧を印加する工程を備えている、方法。
  20. 請求項１８に記載の方法において、
    前記変位は前記分極方向に誘導される、方法。
  21. 請求項１８に記載の方法において、
    前記圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に前記電圧を印加する工程は、前記圧電超音波トランスデューサのリング形状の同心多層化スタック内の複数の電極層の間に前記電圧を印加する工程を備え、ここに、前記同心多層化スタックはブルズアイの様に配列されている、方法。
  22. 請求項１８に記載の方法において、
    前記変位を誘導する工程は、約７０ＭＨｚ～８０ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備え、前記変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも０．６ｃｍである、方法。
  23. 請求項１８に記載の方法において、
    前記変位を誘導する工程は、約３５ＭＨｚ～４５ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備え、前記変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも１ｃｍである、方法。
  24. 請求項１８に記載の方法において、
    前記変位を誘導する工程は、約１０ＭＨｚ～２０ＭＨｚの間の周波数にて変位を誘導する工程を備え、前記変位によって発せられる超音波信号の透過深度は少なくとも４ｃｍである、方法。
  25. 圧電超音波トランスデューサデバイスを動作させる方法であって、前記方法は、
    圧電超音波トランスデューサ内の複数の電極層の間に分極方向に電圧を印加する工程であって、ここに、前記圧電超音波トランスデューサは、キャビティを覆ってベース層上に複数の同心に配列された多層化スタックを備え、更に、前記多層化スタックのそれぞれが、極性を交互させて配列された複数の圧電層を含み、前記圧電層のそれぞれの前記極性は前記分極方向に平行であり、各圧電層は前記複数の電極層の対の電極層の間に配列されている、電圧を印加する工程と、
    前記印加電極から、当該印加電極、前記圧電層を形成する材料の圧電定数、及び前記圧電層の数に比例した変位を前記分極方向に誘導する工程と、を備えている、方法。
  26. キャビティを覆ってベース層上にそれぞれ同心に配列された複数のリング形状の多層スタックを有する圧電超音波トランスデューサを形成する方法であって、
    基板上に窒化シリコンベース層を形成する工程と、
    前記窒化シリコンベース層上に第１の電極層を形成する工程と、
    前記第１の電極層上に第１の圧電層を形成する工程と、
    前記第１の圧電層上に第２の電極層を形成する工程と、
    前記第２の電極層上に１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層を形成する工程と、を備え、
    前記第１の電極層、前記第１の圧電層、前記第２の電極層、及び前記１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層は、前記複数のリング形状の多層スタックへパターニングされる、方法。
  27. 請求項２６に記載の方法であって、
    前記第１の電極層、前記第１の圧電層、前記第２の電極層、及び前記１つ又はそれ以上の追加の対の圧電層及び電極層を、前記複数のリング形状の多層スタックへリソグラフィー式にパターニングする工程、を更に備えている方法。
  28. 請求項２６に記載の方法であって、
    前記基板内に前記対応するキャビティを形成する工程、を更に備えている方法。
  29. 請求項２６に記載の方法において、
    前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層は、当該第１の圧電層と当該第２の圧電層が交互極性に配列されるように形成される、方法。
  30. 請求項２６に記載の方法において、
    前記窒化シリコンベース層は前記複数のリング形状の多層スタックへ形成される、方法。
  31. 請求項２６に記載の方法において、
    ベース層上に同心に配列された前記複数のリング形状の多層スタックはブルズアイパターンを形成する、方法。
  32. 請求項２６に記載の方法において、
    前記圧電材料を形成する工程は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を堆積させる工程を含んでいる、方法。
  33. 請求項２６に記載の方法において、
    前記圧電層のそれぞれは、０．２５マイクロメートル～３マイクロメートルの範囲の高さを有する、方法。
  34. 請求項２６に記載の方法において、
    前記窒化シリコンベース層を形成する前記工程は、前記窒化シリコンベースベース層を少なくとも５００ナノメートルの厚さへ堆積させる工程を含んでいる、方法。
  35. 圧電超音波トランスデューサデバイスであって、
    ベース層の上に同心に配列されていて前記ベース層から盛り上がって延びている１つ又はそれ以上の多層化スタックを備え、前記１つ又はそれ以上の多層化スタック及び前記ベース層はキャビティを覆って配列されており、更に、前記１つ又はそれ以上の多層化スタックのそれぞれが、複数の、電極層の間に配列された圧電層を含んでいる、デバイス。
  36. 圧電超音波トランスデューサデバイスであって、
    ベースの上に螺旋パターン又はブルズアイパターンに同心に配列されていて前記ベースから高さまで盛り上がって延びている１つ又はそれ以上の多層化スタックを備え、前記１つ又はそれ以上の多層化スタック及び前記ベース層は、基板内のキャビティを覆って配列されており、更に、前記１つ又はそれ以上の多層化スタックのそれぞれが、複数の、電極層の間に配列された圧電層を含み、前記１つ又はそれ以上の多層化スタック内の前記圧電層は前記ベースから前記高さの方向に沿って極性が交互するようになっている、デバイス。
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