JP4067964B2 - 小型超音波トランスデューサ - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は一般に超音波トランスデューサに関し、特に、微細電気加工システム（ＭＥＭＳ）技術によって製造される小型超音波トランスデューサに関する。

発明の背景

超音波トランスデューサは、画像を創成するために高周波音波を用いる。さらに具体的に言うと、超音波画像は、音波が機械的に異なる構造体の境界部から反射する際、その音波によって形成される。典型的な超音波トランスデューサは、そのような音波の発信と受信の両方を行う。

ある種の医学的処置では、医師が、腫瘍か、組織か、血管か、それらの区別をするために、触診することも、感じ取ることも、および／または、観察することもできないことがあることが知られている。従来から、このような処置においては超音波システムが特に有効であることが判明している。なぜなら、超音波システムによって、医師は所望のフィードバックを入手することが可能となるからである。さらに、この超音波システムは広く入手可能であり、かつ、比較的安価である。

しかしながら、今日の超音波システムおよび超音波トランスデューサは、かなり物理的に大きくなる傾向にあり、従って、要求される全ての用途に必ずしも理想的に合致するわけではない。さらに、やや大きめのサイズのために、それら超音波トランスデューサは、例えば、カテーテルやプローブのような他の医学的装置の中に簡単に組み込むことができない。従って、比較的小型の超音波システム、特に比較的小型の超音波トランスデューサの出現が望まれる。ＭＥＭＳ技術はそのような小型超音波トランスデューサの製造には理想的に適している。

発明の概要

本発明は、医学的画像法に使用される超音波トランスデューサである。この超音波トランスデューサは、第一面および第二面を有する基板を含む。この基板は、第一面から第二面に延びる開口（アパチャー）を含む。第一面には電子回路が配置される。開口内には少なくとも部分的に隔膜（ディアフラグム）が配置され、隔膜は電子回路と電気的に繋がっている。隔膜は、球体の一部であるアーチ型をしている。本トランスデューサはさらに、隔膜や基板と物理的に繋がっている結合物質を含む。

本発明の別の態様によれば、超音波トランスデューサの形成法が提供される。本法は、開口を持つ基板を提供する工程、開口をフィルムで被う工程、および、その外形が部分的球面形をした隔膜を形成するように、フィルムを横断して差圧を加える工程、の諸工程を含む。本法はさらに、隔膜の前記部分的球面形を維持するために、隔膜に結合物質を塗布する工程をさらに含む。

さらに別の態様によれば、本発明は哺乳動物体内に挿入するための医学装置である。本医学装置は、挿入可能な本体部分と、本体部分に付着する超音波変換部を含む。この超音波変換部は複数の超音波トランスデューサを含む。この複数の超音波トランスデューサは、それぞれ、第一面および第二面を有する基板を含む。この基板は、第一面から第二面に延びる開口を含む。第一面に電子回路が配置される。開口内には少なくとも部分的に隔膜が配置され、隔膜は電子回路と電気的に繋がっている。隔膜は、球体の一部であるアーチ型をしている。各超音波トランスデューサはさらに、隔膜や基板と物理的に繋がっている結合物質を含む。

詳細な説明

本発明の、前記特質およびその他の特質は、本発明の関わる従来技術に習熟した当業者には、下記の説明を、付属の図を参照しながら読むことによって明白となろう。

図１・２を参照すると、本発明による超音波システム１００のブロック図が示されている。さらに具体的に言うと、図１は、音波発信サイクル中のシステム１００を図示し、図２は、音波エコー受信サイクル中のシステム１００を図示する。システム１００は、画像回路１０２、送信／受信回路１０４、および、超音波トランスデューサ１０６を含む。画像回路１０２は、発信されトランスデューサ１０６から受信された音エコー情報を駆動し解釈するための適当なロジックまたはアルゴリスムを有する、コンピュータ準拠システム（図示せず）を含む。送信／受信回路１０４は、画像回路１０２をトランスデューサ１０６と回路的に繋がらせるためのインターフェイス部品を含む。さらに詳細に後述するように、トランスデューサ１０６は少なくとも１個の変換装置１０８を持ち、かつ、オプションとして、参照番号１１０・１１２によって示される変換装置のレファレンスを含む。各変換装置１０８、１１０および１１２は、変換要素と、トランスデューサ１０６と画像回路１０２の間の導通を単純化するための電子回路とを含む。

動作時、画像回路１０２はトランスデューサ１０６を駆動して、３５から６５ＭＨｚの範囲の周波数で音波１１４を発信する。ただし、それ以外の、任意の範囲の周波数であっても、このトランスデューサ１０６によって発信可能であることが理解されるだろう。音波１１４は、画像化対象物１１６の内部に侵入する。音波１１４が対象物１１６内部に侵入するにつれて、音波は、対象物１１６内部の、機械的に異なる構造物同士の境界部において反射して、図２に示す反射音波２０２を形成する。この反射音波２０２はトランスデューサ１０６によって受信される。次に、この発射音波１１４と反射音波２０２は、画像回路１０２内部のロジックおよび／またはアルゴリスムに基づいて、対象物１１６の画像を構築するのに用いられる。

図３Ａ・３Ｂは、超音波変換装置１０８の第一実施態様の、それぞれ、平面図と断面図を示す。この変換装置１０８は、その大きさがほぼ１ｍｍ^３以下の基板３００の上に形成される。ただし、変換装置１０８は１ｍｍ^３を上回るものであっても、１ｍｍ^３を下回るものであってもよいことを理解しなければならない。基板３００はシリコンで構成され、前面と後面とを有する。前面には電子回路３０２が形成される。電子回路３０２は、相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）製造工程のような通例の製造工程によって形成される。電子回路３０２は、多数の可能な回路設計や部品、例えば、信号条件付け回路、バッファ、増幅器、駆動装置、および、アナログ・ディジタル変換器を含むことが可能であるが、ただしそれらに限定されるわけでない。基板３００にはさらに、その中に、隔膜すなわち変換要素３０４を受容するための、穴すなわち開口３０１が形成される。この開口３０１は、通例のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）加工法、レーザー加工法、微細加工法、微細製造法、または、深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）のような適当なＭＥＭＳ製造法によって形成される。開口３０１は円形であっても、別の適当な形、例えば、楕円形であってもよい。

変換要素３０４は、薄層の圧電物質、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、または、別の適当なポリマーから成る。このＰＶＤＦフィルムは、その圧電性を高めるためにトリフルオロエチレンを含んでいてもよい。別法として、変換要素３０４は、ＰＺＴまたはZ_nOのような、非ポリマー性圧電物質によって形成されてもよい。ＰＶＤＦフィルムはスピンコート法によって基板３００の上に形成される。前述のスピンコート法の代わりに、遊離フィルムを基板上にのせてもよい。変換要素３０４は、厚さが、１０００オングストロームと１００ミクロンの間にあってよい。例示の実施態様では、変換物質３０４は、厚さが、ほぼ５から１５マイクロメートルである。しかしながら、後述するように、変換要素３０４の厚さは、変換装置の周波数を変えられるよう修飾することが可能である。次に、ＰＶＤＦフィルムはコロナ放電調整または類似の方法によって圧電性を付与される。

変換物質３０４は、前面と後面、それぞれ、３０６と３０８を有する。前面３０６は電極３１０と電気的に導通し、後面３０８は電極３１２と導通する。電極３１０・３１２は、回路３０２から変換要素３０４へ至る電気的経路を与える。電極３１０・３１２は、既知の微細加工法、微細製造法、または、例えば表面微細加工法のようなＭＥＭＳ製造技術を用いて、クロム金材料のような導電材料、または、その他の適当な導電材料から形成される。

変換要素３０４は、電極３１０と３１２に僅かの電量を通ずることによって機械的に励起することが可能である。この機械的励起は、特定の周波数を持つ高周波、すなわち３５ＭＨｚと６５ＭＨｚの間の超音波範囲の音波を生じさせる。その正確な周波数は、何よりも、変換要素３０４の、前面３０６と後面３０８の間の厚さに依存する。従って、変換物質３０４の厚さを制御することによって、所望の変換周波数を得ることが可能である。この変換要素３０４は、電極３１０・３１２を通過する電流によって励起されるばかりでなく、さらに音波によっても機械的に励起される。すなわち、音波は次に、電流および／または電圧を生成させ、これが電極３１０・３１２によって受信される。

好ましくは流動性エポキシの形態を取る結合物質３１４を、変換要素３０４の後面３０８に塗布する。この結合物質３１４は導電性であり、かつ、変換要素３０４の形を機械的に保持する。結合物質３１４はさらに、後面３０８における音波発射の減衰を実行する。

図４Ａ・４Ｂは、超音波変換装置１０８の第二実施態様の、それぞれ、平面図と断面図を示す。この第二実施態様は、図３Ａ・３Ｂの第一実施態様と実質的に同じであるが、ただし、第二実施態様による変換装置１０８は、電極３１０と３１２の間に作動可能に結合する、１個以上の環状電極４０２と４０４を含む点が異なる。この環状電極４０２・４０４により、変換要素３０４には、音波の焦点を結んだり、方向を変えたりする能力が付与される。環状電極４０２・４０４は標準材料から構成され、変換要素の変形に先立って、フォトリソグラフィーのような、既知の微細製造法またはＭＥＭＳ製造法を用いて、変換要素３０４の表面に形成される。

ここで図５を参照すると、本発明による複数の超音波トランスデューサ１０８から成るアレイ５００が示されている。このアレイ５００は、図３Ａ・３Ｂに示した種類、または、図４Ａ・４Ｂに示した種類、または、それらの結合から成る様々なトランスデューサ１０８を含むことが可能である。このアレイ５００は、人体に挿入するためのプローブ上に配置されるものとして描かれているが、その他の、各種各様の医学装置に配置することが可能である。電力、入力信号および出力信号を搬送するために、入力・出力バス（図示せず）が、各超音波トランスデューサに結合している。

ここで図６Ａから６Ｄまでを参照しながら、本発明の製造法を論じることとする。細部を論じる前に、本発明は好ましくは、ウェーハ規模の製造法によって製造されることを銘記しなければならない。とはいうものの、ウェーハ規模の製造法より劣るものであっても、例えば、個別のトランスデューサ・レベルでは採用が可能である。下記の記載は、個別のトランスデューサ製造法を論じているが、この方法は、単一の４インチシリコン・ウェーハにおいて数千のトランスデューサを製造するための、既知の微細製造法、微細加工法またはその他のＭＥＭＳ製造技術によるウェーハ規模の製造法によっても導入が可能である。

ここで特に図６Ａを参照すると、表面に既に所望の回路３０２を加工した基板３００が、通例の回路基板工場から供給される。表面に既に回路を加工された基板を用いることが有利なのは、必要な回路を形成するのに既存の回路加工技術を利用することが可能であるということである。次に、変換要素３０４を基板３００の上にスピンコートし、さらに、その上に、金属の薄層（図示せず）をメッキする。次に、この変換要素３０４を、このフィルムに圧電性を与えるために、コロナ放電または類似の方法によって「調整(polled)」する。

ここで図６Ｂを参照すると、基板３００の後面が加工・除去され、開口３０１が形成される。加工法は、従来のＣＮＣ加工法、レーザー加工法、微細加工法、または、ＤＲＩＥのようなＭＥＭＳ製造法であってもよい。次に、この変換要素１０８を図６Ｃに示すようにひっくり返す。次に、基板の、今は下向きとなっている表面に圧力ジグ６００を被せる。圧力ジグ６００は、圧力接続部６０２と真空空間６０４を含む。圧力接続部６０２は、圧力ジグ６００を、加圧空気または他の気体の供給源に接続する。圧力ジグ６００は、基板３００にたいする密閉壁を造り、開口３０１に加圧するための加圧空間６０４を形成する。加圧空間６０４は、変換要素３０４を横切って差圧が生じるのを可能とするので、そのために、変換要素が開口３０１の方に引き込まれることになる。図６Ｄに示すように、この差圧によって、変換要素３０４は、平面形から、実質的には球面の一部であるアーチ型に変形させられる。変換要素３０４の部分球面形は、図６Ｄから見て取れるように、半球面よりは小さい方が好ましいが、半球面であっても、別の形であってもよい。

図６Ｃ−６Ｅに示す圧力ジグ６００は、単一のシリコンウェーハ上に形成される数百の、場合によっては数千の変換装置１０８にたいして同時に加圧を実現できるほどのもっと大きいジグの一部であってもよいことを理解しなければならない。

ここで図６Ｅを参照すると、結合物質３１４が開口３０１の中に導入される。結合物質３１４は、一旦塗布されたならどのような形を取ってもよい。結合物質３１４は、変換要素３０４の後面３０８に塗布される際は流体状または半固形状であって、基板３００中の開口３０１の壁に接触する。次に、結合物質３１４は乾燥して固体になる。結合物質３１４は、適当な形の流状エポキシであり、導電性であっても、非導電性であってもよい。前述のように、結合物質３１４は、変換要素３０４の実質的に半球面状の形を保持するために働く。結合物質３１４はさらに、変換要素３０４が生成し、画像工程では用いられることのない音波を吸収するように作用する。

図６Ｆ・６Ｇは、別の、超音波変換装置１０８製造過程を示す。図６Ｆ・６Ｇに示すこの別法は、図６Ｃ−６Ｅに示す製造工程と類似する。ただし、この別法では、圧力ジグ６００によって差圧を変換要素に与えた後ではなく、与える前に、結合物質３１４を、変換要素３０４の背後において開口３０１内に挿入する点が異なる。その次に、差圧によって、流体状または半固形状結合物質３１４を、変換要素３０４と共に変位させる。結合物質は、一旦固化すると、変換要素を機械的に支持する。

図７Ａ−７Ｅは、別の、超音波変換装置１０８の製造法を示す。図７Ａ−７Ｅの別法は図６Ａ−６Ｅに示す方法と類似する。ただし、圧力ジグ６００が、基板３００の上を向いている表面に被せられ、圧力源６０２が、変換要素３０４の所望の変位を実現するために、開口３０１内で加圧するのではなく、真空にする点が異なる。一旦変換要素３０４が所望通りに変位するならば、結合物質３１４が前述のように塗布される。

図８Ａ−８Ｅは、さらに別の、超音波変換装置１０８の製造過程を示す。図８Ａ−８Ｅでは、図６Ａ−６Ｅに示す部品と類似の部品には、同じ参照番号を用い、接尾語“ａ”で特定する。ここで特に図８Ａを参照すると、シリコン基板３００は、通例の回路基板工場から供給され、所望の回路３０２は既にその上に製造済みである。基板３００は既に酸化物層３３０によってコートされ、次にこの層が、基板上に電極３１０ａおよび３１２ａ（図８Ｃ）をパターン印刻するのに用いられる。電極３１０ａを基板３００の上に被覆させ、かつ、回路３０２に作動可能に繋いだ後、図８Ｂに示すように、変換要素３０４を電極３１０ａの上にスピンコーする。次に、図８Ｃに示すように、電極３１２ａを変換要素３０４の上に被覆する。

ここで図８Ｄを参照すると、基板３００の後ろ側を、ＤＲＩＥ工程を用いて腐食除去し、開口３０１を形成する。次に、第二の腐食工程を用いて、開口３０１内部の酸化物を除去する（図８Ｅ）。

次に、この変換装置１０８を、図８Ｆに示すようにひっくり返す。次に、圧力ジグ６００を、基板３００の、今度は下向きになった表面の上に被せる。圧力ジグ６００は、圧力接続部６０２と真空空間６０４を含む。圧力接続部６０２は、圧力ジグ６００を、加圧空気またはその他の気体供給源に接続する。圧力ジグ６００は、基板３００にたいする密閉壁を造り、開口３０１に加圧するための加圧空間６０４を形成する。加圧空間６０４は、変換要素３０４を横切って差圧が生じるのを可能とするので、そのために、変換要素が開口３０１の方に引き込まれることになる。図８Ｇに示すように、この差圧によって、変換要素３０４は、平面形から、実質的には球面の一部であるアーチ型に変形させられる。変換要素３０４の部分球面形は、図６Ｇから見て取れるように、好ましくは半球面よりは小さい方がよいが、半球面であっても、別の形であってもよい。次に、この変換要素３０４を、このフィルムに圧電性を与えるために、コロナ放電または類似の方法によって「調整」する。

図８Ｆ−８Ｇに示す圧力ジグ６００は、単一のシリコンウェーハ上に形成される数百の、場合によっては数千の変換装置１０８にたいして同時に加圧を実現するためのより大きいジグの一部であってもよいことを理解しなければならない。

ここで図８Ｈを参照すると、結合物質３１４が開口３０１の中に導入される。結合物質３１４は、一旦塗布されたならどのような形を取ってもよい。結合物質３１４は、変換要素３０４の後面３０８に塗布される際は流体状または半固形状であって、基板３００中の開口３０１の壁に接触する。次に、結合物質３１４は乾燥して固体になる。結合物質は、適当な形の流状エポキシであり、非導電性であるべきだ。前述のように、結合物質３１４は、変換要素３０４の実質的に半球面形を保持するために働く。結合物質３１４は、さらに、変換要素３０４が生成し、画像工程で使用されない音波を吸収するように作用する。

本発明の前記説明から、当業者ならば、改良点、変更点および修正点に気付くことであろう。例えば、変換要素３０４の形は、変換装置１０８に別々の焦点を与えたり、および／または、変換装置の周波数を変更したりするために、球面の一部ではなく、楕円面の一部であってもよいことが考えられる。この部分的楕円形面は、基板３００中の開口３０１の形を変えることによって、または、変換要素３０４の厚さを変えることによっても実現が可能である。さらに、環状電極４０２・４０４も、部分的楕円形を持つように形成することが可能である。当業者の技量の範囲内にあるこのような種々の改良点、変更点や修正点も、付属の請求項によってカバーされることが意図されている。

図１は、本発明の動作原理を示すブロックダイグラムである。 図２は、本発明の動作原理を示すブロックダイグラムである。 図３Ａ・３Ｂは、本発明によって構築された超音波トランスデューサの第一実施態様を図示したものである。 図４Ａ・４Ｂは、本発明によって構築された超音波トランスデューサの第二実施態様を図示したものである。 図５は、本発明による超音波トランスデューサ・アレイを有する医学装置の一部を図示したものである。 図６Ａ−６Ｅは本発明に基づく超音波トランスデューサの製造法を示す。図６Ｆ・６Ｇは、本発明に基づく超音波トランスデューサ製造法の別法を示す。 図７Ａ−７Ｅは、本発明に基づく超音波トランスデューサ製造法の、さらに別の方法を示す。 図８Ａ−８Ｅは、本発明に基づく超音波トランスデューサ製造法の、またさらに別の方法を示す。

Claims (5)

1. 医学的画像記録に使用される超音波トランスデューサであって、
   向かい合って配置される第一面と第二面を有し、前記第一面から前記第二面に延びる開口を含むシリコン基板と、
   前記開口内部に少なくとも部分的に配され、放出する超音波を集中させるための球体の一部であるアーチ型をしている隔膜と、
   前記隔膜と物理的に繋がっている複数の電極と、
   前記隔膜および前記基板と、前記隔膜のアーチ型を機械的に保持するように物理的に繋がっている結合物質、
   を含む超音波トランスデューサ。
2. 前記隔膜が薄層の圧電物質を含むことを特徴とする、請求項１の超音波トランスデューサ。
3. 前記隔膜が遊離フィルムを含むことを特徴とする、請求項１の超音波トランスデューサ。
4. 前記結合物質が、前記開口内部に少なくとも部分的に配され、
   前記結合物質が前記隔膜に隣接して、前記隔膜を支持し、該隔膜によって生じた音波を減衰させることを特徴とする、請求項１の超音波トランスデューサ。
5. 前記複数の電極のうち少なくとも１個は、前記隔膜の表面に形成され、放射した音波をさらに集中させるように作動する環状電極であることを特徴とする、請求項１の超音波トランスデューサ。

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