JP4104550B2 - 超音波プリント回路基板トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、超音波プリント回路基板トランスデューサ・アセンブリに関し、このアセンブリを作成する方法例に関する。

以前の特許、なかでも米国特許第５，２８７，３３１号およびカナダ特許第２，１０５，６４７号には、広い周波数帯域（約４０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ）にわたって動作する気体結合型および液体結合型の超音波静電容量型トランスデューサを製造する方法が記載されている。この方法は、マイクロマシニング（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術またはＩＣ製造技術を使用してバックプレートとして知られている固体材料またはポリマー材料の表面に明確なピット構造を作成するものである。表面のピットは、金属化ポリマー薄膜が上に配置されるときに小さなエア・ポケットを閉じ込める役割を果たす。ポリマー膜は、このデバイスの能動素子としての役割、すなわち振動を介して超音波を生成し受け取る役割を果たす。発生に際して、時間と共に変化する電圧Ｖ（ｔ）を（表面を導電性にした）バックプレートに印加しながら、ポリマー膜の外部金属化表面を接地して、ポリマー薄膜に電圧Ｖ（ｔ）が印加される。（しばしばＤＣバイアス電圧に重畳される）この時間と共に変化する電圧は、薄膜の接地表面を静電気力を介して振動させる時間と共に変化する電界を生成する。検出に際しては、薄膜に到達する超音波が、この薄膜（ｔｈｉｎ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を運動させ、この運動により、バックプレーンおよび薄膜に加えられたバイアス電圧の存在の下、電荷を感知する（またはトランスインピーダンスによる）増幅方式によって検出可能な電荷変化Ｑ（ｔ）が発生する。

本質的に、この構造は、すべてが一斉に振動する小さなドラム・スキン（ｄｒｕｍ−ｓｋｉｎ）の大規模なアレイによく似ており、バックプレート・ピットの寸法を小さくし薄膜の厚さを薄くすると、トランスデューサの周波数帯域が広がるものである。高い周波数応答、広い帯域幅、および高い感度を得るために、これら以前の特許では、バックプレートを粗面化する従来技術による手段（例えば、研磨（ｓａｎｄｉｎｇ）、サンドブラスト（ｓａｎｄｂｌａｓｔｉｎｇ）など）から離れて、マイクロマシニング製造技術を使用してピット形状およびピット・サイズをより注意深く制御する方向に向かう必要があることが教示された。その他いくつかの特許が以来、この全般的な主題についての変形形態と共に出願されてきたが、それらのほとんどでは、窒化ケイ素固体膜が使用されている。
多様なマーケット向けのトランスデューサの製造時に、マイクロマシニング手法を実施する上で４つの主要な問題がしばしば現れてきている。

第１に、マイクロマシニング技術を使用して新しいトランスデューサを試作し研究開発努力を行うことは、小さな会社では、しばしば法外に高価につくものであった。マイクロマシニングが高価なのは、主としてマイクロマシンニング構造の処理には様々なフォトリソグラフィ・マスクを作成する必要があることに起因しているが、またＩＣ／マイクロマシニング産業が、（すなわちトランジスタのように）デバイスの大量生産によって大量消費市場に役立つようにされているからでもある。基本的に、ユニット当たりのコストを大量の場合には低くできるが、セットアップ・コストは、一般にマイクロマシニングでは高くなる。もともと、すべてのマーケットが多数のユニットに見合うだけ十分に大きいわけではなく、したがって、流体（すなわち、気体および液体）中で使用するための静電容量型超音波トランスデューサを製造する手段が高価でない方がより広い多様なマーケットを満足させるのに有利なはずである。

第２の問題点は、静電容量型トランスデューサのすべてのマーケットおよび用途が、トランスデューサのマイクロマシニングによって得られる最も広い帯域幅を実際に必要とすることであった。これによって、若干低いけれど依然として十分な音響性能を提供可能なそれほど複雑でない製造方法でも十分なはずのときに、トランスデューサのマイクロマシニングを行うための不必要な費用がもたらされる。

第３の問題点は、３次元の上面（例えば、球面）をもつ粗面化されたバックプレートを作成して結果としての超音波フィールド形状を制御し、それによってかかるデバイスを焦点形トランスデューサとして作成する試みからきている。ＩＣ／マイクロマシニング産業では、主に（集積回路など）２次元平面の表面を使用して開発がなされてきているので、マイクロマシニング技術を用いて３次元上面を有するかかるトランスデューサを現在簡単には作成できない。したがって、３次元または曲面のバックプレート要素を容易に一体化可能にする方法が提供されれば、（これらの要素がマイクロマシニングによって作成されるか、それとも従来手段によって作成されるかにはよらず）特に有利となるはずである。

最後の問題点は、バックプレートの作成にマイクロマシニング方法、あるいは他の方法が使用されるかにはよらずに、（ａ）バックプレートに対する有効な電磁シールディングおよびパッケージングの課題、（ｂ）関連する個別エレクトロニクスとの一体化容易性（スルーホールと、表面実装技術、すなわちＳＭＴの両者）に対して慎重な注意を払わなければならないことであった。シールディングおよびパッケージングの課題は、（例えば、多要素の静電容量型トランスデューサの作成など）１つの容器内に多数のバックプレートを取り付けるときに特に考慮すべきものであるが、トランスデューサ・アセンブリの全体積（またはサイズ）に関心がある場合も、様々なマーケットではしばしばそうなるので、考慮すべきである。したがって、さらに便利な製造方法を提供することは、その方法が静電容量型の超音波トランスデューサの有効な電磁シールディング、パッケージングおよび電子的な一体化を容易にする場合には、重要な進歩となるはずである。
米国特許第５，２８７，３３１号 カナダ特許第２，１０５，６４７号 Ｍａｄｏｕ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、１９９７年

以上の問題点はすべて、同じ技術を使用してプリント回路基板（すなわち、ＰＣＢ）を作成しパターン化することにより、静電容量型の気体結合型および液体結合型の超音波トランスデューサを製造することによって克服されてきている。

本発明の一態様によれば、超音波トランスデューサ・アセンブリを製造する一方法が提供されている。本方法は、上面および下面を有する多層プリント回路基板を作成する工程と、上面および下面のそれぞれの上にパターン化された導電層を作成する工程と、基板上に少なくとも１つのパターン化されたバックプレート電極を作成する工程と、基板と一体化された少なくとも１つの導電性バイアを作成する工程と、少なくとも１つのバックプレートのそれぞれの少なくとも一部分を粗面化してそのバックプレートの表面のその部分にガス・ポケットを導入する工程と、少なくとも１つのバックプレートと静電容量構造を形成するように構成される一体化された導電性表面を有する、絶縁性または誘電性の薄膜を基板の一部分に付着する工程とを含む。

本発明の他の態様によれば、超音波トランスデューサ・アセンブリを製造するさらなる方法が提供される。本方法では、上面および下面を有する多層プリント回路基板を作成する工程と、上面および下面のそれぞれの上にパターン化された導電層を作成する工程と、それぞれが少なくとも１つのバックプレート電極を含む少なくとも１つの個別構成要素を作成する工程と、少なくとも１つのバックプレートのそれぞれの少なくとも一部分を粗面化する工程と、その基板に構成要素を取り付ける工程と、基板と一体化された少なくとも１つの導電性バイアを作成する工程と、そのバックプレートと静電容量構造を形成するように構成されている一体化された導電性表面を有する、絶縁性または誘電性の薄膜を基板の一部分に付着する工程とを含む。

本発明の他の態様によれば、剛性または可とう性とすることが可能な、上面および下面を有する多層プリント回路基板を備える超音波トランスデューサ・アセンブリが提供されている。上面および下面の各面上のパターン化された導電層と、基板と一体化された少なくとも１つの導電性バイアとがある。このアセンブリはさらに、表面の一部分が粗面化されてこのバックプレート中にガス・ポケットが作成される少なくとも１つのパターン化されたバックプレート電極と、バックプレートと静電容量構造を形成するように構成される一体化された導電性表面を有する、基板の一部分上に付着された絶縁膜とを備える。

本発明の方法によれば、固有かつ／または一回限りのトランスデューサの試作品を作る費用が（マイクロマシニング手法に比べて）非常に低く、また簡単に実施できることが判明している。また、（例えば、従来技術により粗面化されたバックプレートを備える）かかるＰＣＢトランスデューサの性能は、約１ＭＨｚの帯域幅を示し、これは様々な少量かつ／または要求の厳しくないマーケットでは、十分に対応できるものである。さらに、このＰＣＢ手法による静電容量トランスデューサの製造では、標準的なＰＣＢ製造設備を使用して、少量で比較的費用がかからないことが分かっており、さらに広く入手可能なＰＣＢレイアウト・ソフトウェアを用いて容易に柔軟に設計することができる。
本発明の以上および他の利点は、以下の詳細な説明を読み図面を参照することにより明らかとなろう。

本発明を添付図面に示した実施形態の例に関連して説明するが、本発明をかかる実施形態だけに限定するものではないことが理解されよう。逆に、本発明は、添付特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲に含まれ得るすべての代替形態、変更形態、および等価形態を包含するものとする。

以下の説明では、図面中の同様な機能には同じ参照番号が付与されている。
図１は、本発明の一態様に従って製造される超音波トランスデューサ・アセンブリ２を断面図で示している。標準的なＰＣＢ製造プロセスを使用して、（しばしば繊維複合材料からなる）電気的に絶縁性のＰＣＢ１０の上部１２上にも下部１４上にも（しばしば銅からなる）パターン化された導電層を作成する。かかるＰＣＢは、剛性または可とう性であることが可能で、既知の技術に従って製造することができる。可とう性のＰＣＢの製造については、３ＭのＭｉｃｒｏｆｌｅｘ Ｃｉｒｃｕｉｔ（商標）または他の可とう性の回路設計技術中で使用する技術と同様な技術を参照することができる。これらの技術は、本発明の趣旨の範囲内のトランスデューサ・アセンブリを構築するのに適したものである。

上側のパターン化された導体を下側のパターン化された導体と接続するために使用されるスルーホール・バイア１６、２０は、ＰＣＢの製造では標準的なように、まずＰＣＢ１０を貫通して小さなホールをあけ、次いでさらなる導電性材料で側壁を電気めっきすることにより作成される。このめっきされたバイア１６は、特に例えば円形（図２参照）に分布したバイアのように多くのものと共に、上側の接地平面を下側の接地平面と接続する役割を任意選択で果たすことができ、それによってバックプレート電極２２をその側面と下部についてファラデー・ケージ（Ｆａｒａｄａｙ ｃａｇｅ）の形状に類似した電気的な接地シールドの内部に収容することができる。かかるファラデー・ケージへの収容によって、（ａ）電圧Ｖ（ｔ）が、超音波の生成のためにバックプレート２２に印加されるときに、また（ｂ）到達した超音波を検出した後すぐに電荷変動Ｑ（ｔ）がバックプレート２２に生成されるときに、バックプレート２２を取り囲む空間に生成される電界を封じ込める役割が果たされる。

図１に示す構成には図解していないが、基板の上面もしくは下面、または両表面上にバックプレート２２を構築することができる。実際、任意数のバックプレート２２を基板上に構築することができ、これら任意数のバックプレートをそれら自体のファラデー・ケージ中に電気的に収容することができる。

ファラデー・ケージによるかかるシールディングは、非常に有効なことが示されてきており、接地バイア１６の数と密度が増大するにつれ、またＰＣＢ１０の厚さが薄くなるにつれ、ますます有効なものになる。かかるファラデー・ケージはまた、（ｉ）（トランスデューサが超音波検出器として動作しているとき）周囲の電磁ノイズを拾う感度を低下させ、（ｉｉ）（デバイスが超音波源として動作しているとき）トランスデューサから放射される電磁放射を低減させる役割を果たすこともできる。

図１のトランスデューサ・アセンブリ２内にパターン化されたはんだ層２４を任意選択で追加することは、ＰＣＢの製造では標準的なものであり、これにより、リフローはんだ付け（または加熱）技術によって、（ａ）ＰＣＢトランスデューサ・アセンブリ２のどちらかの側への様々な電子的および／または音響的な構成要素の取付け、（ｂ）処理用電子部品（図示せず）が取り付けられた他のＰＣＢへの図１のＰＣＢトランスデューサ・アセンブリ２全体の固定、（ｃ）単独型の超音波トランスデューサを製造するために（別々に作成された）様々なトランスデューサ容器構成へのＰＣＢトランスデューサ・アセンブリ２全体の固定が容易にできるようになる。さらに、ＰＣＢ製造プロセスにおいてやはり標準的なその他様々な材料層（図１に図示せず）を、絶縁性のワニス・マスク、パターン化された接着剤（ｇｌｕｅ）の堆積、構成要素の指定／位置ラベルなどを含めて、設計者がそう望む場合には同様に含めることができる。設計者が、すぐに利用できユーザフレンドリなＰＣＢレイアウト・ソフトウェアを使用して、非常に様々な材料層およびパターンを簡単に作成することができ、この業界の現在稼働中の数え切れないほどのＰＣＢ製造施設のどれかに向けて、製造するために（しばしば電子的に）設計を簡単に発送できるので、かかる設計の多用性は、本発明のもう１つの重要な態様となる。

図１のＰＣＢバックプレート２２（および使用される場合にはシールド構造）が作成された後に、バックプレート電極２２の表面の少なくとも一部分には、次いで、このタイプの静電容量型超音波トランスデューサ２における音響動作のために、粗面化が施されて小さなガス・ポケット２５を導入する必要があり、このガスは任意圧力の空気または気体とすることができる。バックプレート２２あるいは任意数のバックプレートの粗面化については、それだけには限定されないが、機械的な粗面化および機械加工（例えば、研磨、サンドブラスト、フライス加工（ｍｉｌｌｉｎｇ）、旋削（ｔｕｒｎｉｎｇ））、電気化学エッチングおよび／または選択的めっき、レーザ加工、ならびにプラズマ・スパッタリングを含めて広範囲の様々な技術によって行うことができる。バックプレートを粗面化するためには、それだけには限定されないが、Ｍａｄｏｕ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、１９９７年によって教示された技術を含めて、好ましい方法を用いて微細加工技術も使用することができる。

はんだ層２４をバックプレート２２上で使用する場合には、任意のリフローはんだ工程の完了に引き続いて、はんだ層２４にかかる粗面化技法を行う必要もある。さもなければ粗面化したものがリフローによって取り除かれてしまうこともある。他方、はんだ層２４をバックプレート２２上で使用しない場合には、粗面化技術が直接に導電層１２に適用されて必要なガス・ポケット２５が作成される。

ＰＣＢバックプレート２２が今や粗面化されるとともに、この形状の超音波トランスデューサ２では、一体化された導電性上面２８を有する絶縁性薄膜または誘電性薄膜２６を、アセンブリの上部に付着する必要がある。かかる付着については、膜を重ね合わせ、接続し、または当技術分野において知られているその他任意の適切な手段を用いて行うことができる。かかる膜２６では、その導電性の上面２８を一般に接地して、ＰＣＢトランスデューサ・アセンブリ２の上面１２に一般にそれに接触させて配置し、バックプレート２２をもつ静電容量構造が形成される。この薄膜２６は、トランスデューサの能動構成要素としての（すなわち、その振動を介して超音波を生成し、受信する）役割も、トランスデューサの上面上で接地ケージ・シールディング構造を完成させる役割も果たす。

上側の導体２８は、蒸着やスパッタリングなど、どのような必要な便利な手段を用いても作成することができ、実際には、それだけには限定されないが、ワイヤ・ボンディング、はんだ付け、導電性エポキシによる接着、機械的な容器構成要素によって加えられる簡単な機械圧力接触などを含めて任意の適切な手段を使用してＰＣＢアセンブリ２（図示）の接地平面に通常電気的に接続される。図１に示す実施形態では、マイラー（Ｍｙｌａｒ）（商標）、Ｋａｐｔｏｎ（商標）、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）、Ｋｙｎａｒ（商標）、ポリエチレン、ポリイミドなどの絶縁性ポリマー膜２６の使用について図示しているが、それだけには限定されないが、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、マイカなどを含めてどのようなタイプの非ポリマー材料も使用できることが、当業者には容易に理解されよう。

さらに、絶縁性薄膜２６は、（市販の金属化マイラー（商標）膜など）１つの材料の単一層から構成されても、あるいはポリマー材料と非ポリマー材料の組合せを含む異なる材料の多層の一体化層から構成されてもよく、ここで、導電性層２８はさらに、多層薄膜の厚さ方向のどの位置にも配置することができる。また、膜２６内のどの層または層の組合せでも、エレクトレットの形式で恒久的に帯電させてトランスデューサ内の内部バイアス電界を提供できると考えられ、Ｖ（ｔ）に重畳される外部から加えられたバイアス電圧の必要性をこの内部バイアス電界で置き換えることができる。

図１の追加の任意選択可能な層３０を、上側導電電極の上部の膜構造に一体化することもできる。この任意選択可能な層３０を必要なら使用して、（ｉ）水などの液体の潜入から、（ｉｉ）腐食性の化学物質／ガスによる攻撃から、または（ｉｉｉ）衝突する粒子および／またはこすり摩擦に起因する摩耗または損傷から、上側導電接地層２８および薄膜２６、ならびにトランスデューサを全体として保護することができる。

これまで、図１の説明では、ＰＣＢ製造設備における処理に現在使用可能な標準的な材料（例えば、層１０には繊維複合材料、層１２および１４には銅、層２４には鉛−スズはんだ）を使用することを意味してきたが、材料が（異なる材料を可能とするために、もちろん適切な変更がなされた）同様な組の製造工程に従うようにすることができれば、適切な材料ならどれでも使用できることが当業者には容易に理解されよう。具体的な一例としては、層１２および１４には金の堆積を使用し、層２４には銀ベースまたはインジウムベースのはんだを適用すると共に、層１０にはガラス絶縁体を使用することができる。別の例としては、この部分については射出成形を選択し、次いでこれに続けて様々な導体およびバイアなどの選択的なコーティングおよび／またはメッキを行うことができる。さらに他の例では、シリコン中の導電チャネルの拡散や熱マイグレーション、導電性材料を使用した、基板内部にあけられたホールの溝埋めなど、基板を通る導電経路ならどれもバイアとして十分なはずなので、バイアの概念は、これまでに述べた穿孔およびめっきよりも広いものになっている。

図１はまた、２層のＰＣＢレイアウトの使用を示したものである。しかし、（産業界でやはり標準的な）多層のＰＣＢを使用すれば、図１に示す特定の２層基板よりも信号経路指定およびシールディング方式はさらにずっと多様なものになるはずである。したがって、どの層も個別にパターン化可能な、好都合な層数の多層ＰＣＢを使用することは、有用と考えられ、それ故に本発明の範囲内に含められる。

本発明の有用な結果には、ＰＣＢ接地ケージによる電界の封じ込めにより、同時にバックプレート間の電気的なクロスカップリング（またはクロストーク）を最小にしながら、多数のバックプレートを互いに近傍に、また同じデバイス内に都合良く配置できることがある。実際に、それ自体のＰＣＢファラデー・ケージ内でそれぞれおよび全部のバックプレート２２をシールディングすることにより、ほとんどの想像し得るどのような形状および機能の静電容量型トランスデューサ・アレイおよび多要素デバイスの作成も、１つのＰＣＢ１０上で可能になる。この可能性について図３および図４に例示しているが、ここでは、ＰＣＢの製造プロセスが今や、中央のディスク形状のバックプレート２２を取り囲む円環形状の図４に示す第２のバックプレート４０を含むところまで拡張されている。２つのバックプレートには一般にそれぞれ、それ自体の信号バイア２０および４２が設けられ、それによって、（ｉ）トランスデューサの２つの要素によって発生される超音波を個々に制御するために、別々の電圧Ｖ１（ｔ）およびＶ２（ｔ）を印加できるようになっており、または（ｉｉ）超音波を受け取ると２枚のバックプレートが、別々の電荷変動Ｑ１（ｔ）およびＱ２（ｔ）を検出できるようになっている。２枚のバックプレート２２、４２には、必要なら異なる表面の粗さ４４、４６をもたせるようにさえして、それによって、このトランスデューサ・アセンブリの２つの要素の音響性能を異なったものにすることができる。２つのバックプレート要素２２、４０の電界の封じ込めが、接地バイア１６のアレイを使用して２つの要素間の薄い円形接地リング４８を裏側の接地平面に接続することによって実現されていることに留意されたい。例えば両トランスデューサ要素のために接地された上面２８をもつ共通の薄膜２６を使用して、バックプレート２２、４０の上部上で接地ケージを完成することができる。

図３および図４に示すようなデバイスを使用して効果的に、（ａ）異なる超音波周波数など、２つの要素から異なる超音波波形を生成し、（ｂ）他方で超音波を生成しながら要素のうちの一方で受け取り、したがって２要素のパルスエコー・トランスデューサを作成する。このような場合には、ＰＣＢ接地ケージを使用することによって電気的なクロストークが最小にされており、これは、何年にもわたって模索されてきた他の製造技術によるかかる静電容量トランスデューサでは、実現することが困難であると分かっていた効果である。かかる有効なシールディングは、広く入手可能なＰＣＢレイアウト・ソフトウェア、および使用可能なＰＣＢ製造設備を使用して容易に得られ、その結果、本発明には、良くシールディングされた多要素の静電容量トランスデューサの製造を改善する上でも簡素化する上でもかなりの利点がある。

図３および図４の特定の例では、取り囲むＰＣＢ接地ケージをもつ２つのバックプレート要素について説明しているが、このプロセスは、任意数および任意形状の独立したバックプレート、ならびに上面または下面、あるいは上面にも下面にも配置される接地ケージを含むように容易に拡張されることを理解されたい。

本発明の代わりの一態様では、層１２または２４を直接に粗面化してバックプレート２２を形成することが、図５に示すように回避される。その代わりに、追加の個別構成要素５０は、（粗面化されたバックプレートが必要な領域で）粗面化されたバックプレート５２としても、必要なら（接地平面が存在する領域で）スペーサ５４としても役割を果たすことができるような方法で製造される。このようなことを行う主な利点は、より広い一連のバックプレート材料および処理技術をそのときに使用して構成要素５０を作成できるので、（図１の実施形態に比べて）構成要素５０の製造においてずっと大きな多用性が実現されることである。例えば、図１のバックプレート２２に粗面を実現するための以上強調したすべての同じ手段をこの場合にもここでも使用して、部分５０のバックプレート５２に粗面を実現する。しかし、５２を粗面化するためのマイクロマシニングまたは微細加工技術を過剰に使用する自由度も、（例えば、Ｍａｄｏｕ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、１９９７年に記載された方法によって）今や存在し、したがって、しばらく必要とされてきたマイクロマシン加工されたバックプレートを接続しシールディングする有効な手段が提供される。構成要素５０におけるたった１つの実際の制約は、少なくともその表面（またはその表面の近くまたは下のある層）を導電性にする必要があることであり、したがって、導電性材料を始めから使用して構成要素５０を作成するか、それともそれを行う任意の標準的な方法（例えば、電気めっき、蒸着技術、プラズマ堆積など）により作成後に導電性にするかが必要となる。特に興味深いのは、バックプレート部分５２に対するその表面の粗さと共に、射出成形またはマイクロエンボス加工技術を使用し、その後にその表面上に導電性材料をめっき／電気めっきおよび／または堆積することによる、構成要素５０の複製の可能性であろう。

構成要素５０をアセンブリ・プロセスに統合する観点から、構成要素の下面を選択した適切な材料を使用して導電性にする場合には、（例えば、スズめっきにより）はんだ層を塗布することもできることに留意されたい。次いで、かかるはんだ層を用いて、高温で簡単なリフローはんだ技術により下のＰＣＢ１０に取り付けることが可能になる。あるいは、構成要素５０は、熱活性化導電性接着剤、ＵＶ活性化導電性接着剤、ワイヤ・ボンディングなどを用いた他の方法でも取り付けることができる。必要な区域で２つの構成要素が適切に電気接続されるとすれば、下のＰＣＢ１０への構成要素５０の剛性の取付けを可能にするプロセスならどんなものでも十分である。

構成要素５０をＰＣＢ１０に取り付けた後、構成要素５０のスペーサ５４とバックプレート５２要素は、これらを一緒に製造する場合には互いに電気的に絶縁する必要がある。これを行う一方法は、スペーサ５４とバックプレート５２要素の間に小さな破壊しやすい接続タブ５６をもつように構成要素５０を製造するものであり、その結果、フライス加工、レーザ加工、化学エッチング、または鋭いナイフや先端（ｐｏｉｎｔ）を伴う簡単な機械的圧力だけには限定されないが様々な手段を使用して、いつでも小さなタブ５６を破壊することによって容易に分離が実現できるようになる。

図５の特定の例では、周囲を取り囲むＰＣＢ接地ケージをもつ１つのバックプレート要素を示しているが、構成要素５０を容易に拡張して、図４を参照して説明したように、任意数および任意形状のバックプレートおよび接地ケージを多要素のトランスデューサおよびアレイ中に組み込むために含めることができることを理解されたい。さらに、それぞれそれ自体のバックプレート数の任意数の構成要素を組み込んで１つのトランスデューサ・アセンブリにすることができ、この構成要素をどれも基板のいずれかの側、または両側に配置することができる。

構成要素５０を追加することによって得られる自由度により、本発明の他の重要な態様、すなわち３次元の湾曲したバックプレート要素６０を組み込む可能性が直ちにもたらされる。これを図６に示しており、この図では図５の２次元の平面的な構成要素５０が、構成要素５０を取り付けるための以上で論じたと同様な技術により、下のＰＣＢに取り付けられる同様な３次元の構成要素６０で置き換えられる。（図に示すように）湾曲したまたはそれ以外の３次元バックプレート構造をこのように追加することにより、他の製造技術による静電容量型トランスデューサでは容易に作成されない様々な超音波フィールド形状を生成することができる。図６の特定の例では、球面の凹型表面が、超音波の放射および受波が超音波フィールド中の１つの領域または点で敏感になるように集束された放射パターンを生成することになる。構成要素６０上には球面を作成できるだけでなく、原理的には任意の３次元構造を作成しＰＣＢ１０に取り付けて、広範囲の様々な関心のある超音波放射パターンを生成できることが当業者には容易に理解されよう。

構成要素６０のバックプレート部分６２の上面は、６４に示すように最適な超音波性能を実現するためにやはり粗面化する必要がある。これは、前述の従来技術またはバックプレートを粗面化するための微細加工技術のうちのどれでも使用して実現することができるが、（ｉ）３次元のフォトリソグラフィ、湿式化学エッチング、プラズマ・エッチングなどを使用した３次元表面のパターン化およびエッチング、（ｉｉ）例えば注意深く制御されたジンバル・マウント上に機械加工すべき表面を取り付けることができる、レーザ加工技術による３次元表面の選択的パターン化および機械加工、（ｉｉｉ）３次元のパターン化、およびＬＩＧＡなどの技術による選択的なめっきもしくは電気めっきなど、考え得る３次元マイクロマシニングまたは微細加工技術ならどれでも追加して使用することもできる。結局のところ必要とされるものはすべて、ＰＣＢトランスデューサ製造フレームワーク内に含まれる、３次元のバックプレート表面上に粗面化したパターン６４を作成する何らかの手段である。

３次元バックプレート６２およびスペーサ構造６６の作成に続いて、破壊しやすい小型の一体化された接続タブ６８を、この場合にも取り除いて、パックプレートとスペーサを電気的に絶縁できるようにする。次いで、それだけには限定されないが、（ｉ）（加熱または非加熱による）２次元膜の機械的引伸し、（ｉｉ）加熱を伴う２次元膜の真空引伸し、および（ｉｉｉ）下側のバックプレートと同じ寸法（形状）特性をもつ３次元膜の直接的作成を含めて、様々な技法を用いることにより、後続の絶縁薄膜２６および上側導体２８の作成を実現することができる。

図６の特定の例では、周囲を取り囲むＰＣＢ接地ケージをもつ１つの湾曲したバックプレート要素６２を示しているが、構成要素６０を容易に拡張して基板のどちらかの側または両側の多要素のトランスデューサおよびアレイ中に組み込むための接地ケージつきの任意数および任意形状の湾曲したバックプレートを含めることができることを理解されたい。以上をどのように行うことができるかについての特定の例を図７に示しており、ここでは、図３で以前に使用した２要素のＰＣＢ構成要素が、この場合にもここで再生される。しかし、この場合には、構成要素６０には今では、２つのバックプレート要素（一方の中央のディスク７０および他方の取り囲む円環７２）にまたがった球面形状の上面が設けられている。湾曲したディスクおよび円環状バックプレートが介在するシールディング接地リング７４によって隔てられて示されているが、この接地リングは、構成要素６０のバックプレートと一緒に一体化されて製造される。前述したように、この介在接地リングは、一例として炉中でのリフローはんだを使用して構成要素６０を下のＰＣＢに接続した後に、破壊しやすい小型タブ６８（図示）を使用してバックプレートから分離することができる。２枚のバックプレート７０、７２のそれぞれを、設けられた２つの分離された信号バイア７８、および８０を使用して独立に駆動することができ、異なる表面粗さをもたせて異なる音響性能を可能にすることさえできる。かかるトランスデューサは、２つのバックプレート要素７０、７２のそれぞれが同じ焦点を有し、したがって、超音波をトランスデューサの前面空間中の同じ点に焦点を合わせる傾向があるので、共焦点トランスデューサとして知られている。かかる共焦点トランスデューサが、本発明によって提供されるＰＣＢ製造方法を使用してすでに組み立てられており首尾よく実証されてきている。

ＰＣＢ超音波トランスデューサ・アセンブリの考え得るすべての形状に適用可能と思われる様々な薄膜に関してさらに述べておく必要がある。これまで、この薄膜については、すべての図面中で、その上面に保護層３０を追加することが可能な単一膜層２６上の金属化層２８を含む簡単な構造として示してきた。しかし、実際には、この膜はこれよりずっと複雑になる可能性がある。考えられる複雑さの例を図８の概略図に示しており、この図では、図３に示すものとまったく同じＰＣＢバックプレート構造４４、４６を使用している。この図には、多層薄膜８２を示しており、この薄膜は、それだけには限定されないが、回転成形およびゾル・ゲル法（ｓｐｉｎ−ｃａｓｔｅ ＆ｓｏｌ−ｇｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）、プラズマ堆積、蒸着、湿式化学エッチングおよびプラズマ・エッチング、電気めっきなどを含めて様々な方法によって作成することができる（典型的な製造方法のさらなる例としては、Ｍａｄｏｕ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」、（１９９７年）を参照）。固体のバックプレート４４、４６の表面だけに、ピットを作成する代わりに、薄膜層をパターン化して選択的に取り除いて、膜８２とバックプレート４４、４６の間の界面８４、または多層薄膜８２内のガス・ポケット９０に追加のガス・ポケットを導入することが可能である。膜８２の内部または上へのかかるガス・ポケットの追加を行って、トランスデューサの様々な領域の周波数の応答および／または感度を調整することができる（トランスデューサの「アポディゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）」と称する）。接地平面を２つ以上のセクション８６、８８に確実に分離することが可能になるので、もはや、１つの共通の接地平面を使用する必要がなくなる。これを行う１つの理由は、薄膜の接地平面を導電性バックプレートから異なる距離に配置することであり、したがって、様々な要素に対する電界強度（および、それによって感度）が調整される。

多層膜構造中の任意の１層をエレクトレットの形式で追加して恒久的に帯電させて、外部バイアス電界の調整を行い、あるいは外部バイアス電界の必要性をなくすることができる。かかるエレクトレット層には、それだけには限定されないが、２酸化ケイ素、酸化アルミニウム、テフロン（登録商標）、ポリイミド、ポリエチレン、またはマイラー（商標）などが含まれ得る。以前に述べたように、固体の、可とう性の、導電性の、または絶縁性の層の任意の組合せを使用して、一体化された膜構造を作成することができる。また、２次元の平面バックプレートと共に、あるいは図６および図７に以前に示した構造と同様の３次元の湾曲したバックプレート構造に合わせて、かかる多層の一体化された膜を明らかに含めることができるが、（すべての図面中に示すように）かかる膜はすべて、バックプレートと直接接触させて、それともバックプレートから短い距離だけ離して適切な手段によって吊して配置することができる。明らかに、広範な多様性と大きな可能性が存在する。

提供された例により、静電容量／静電気型トランスデューサの製造にＰＣＢを使用することによって以下の利点が得られることが分かる。
１）接地平面をＰＣＢの上面および下面に接続するめっきされたスルーホール・バイアを使用することにより、１要素デバイス中に電界を封じ込めることができる
２）接地平面をＰＣＢの上面および下面に接続する導電性バイアを使用することにより、有効な電界のシールディング（およびそれによって、多要素デバイス中の要素の分離）が可能である
３）狭帯域幅トランスデューサの費用がかからないが柔軟な製造
４）非常に費用がかかるのでマイクロマシニングによってはすぐには可能でなかったトランスデューサをさらに容易に試作し開発することができる
５）電気コネクタ、電子構成要素、音響構成要素などを取り付けるために簡単な熱アセンブリ技術が熱リフローはんだ付けを用いて使用可能になる。基本的には、適切な機械的ジグが加熱中に部品の相対的な位置を保持するために提供されるならば、炉を使用し加熱して様々なはんだ層を接合することにより、アセンブリ全体（またはアセンブリの任意部分）を接続することができる
６）エレクトロニクス（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）（スルーホールもＳＭＴも）を、トランスデューサと同じＰＣＢ上に設けることができ、また逆も可能であり、多様なマーケットに向けたセンサーとエレクトロニクスとの費用のかからない一体化が可能になる
７）様々なエッチングまたは機械的な粗面化技術（サンドブラスト、研磨、機械加工など）による粗面化により銅表面および／またははんだ表面上にトランスデューサ・バックプレートを直接に画定することができる
８）マイクロマシニング加工したバックプレートをはんだ層の熱処理によりＰＣＢに付着させることもでき、マイクロマシニング加工したバックプレートのより広い帯域幅とより高い性能を保持しながら、広範囲の高品質なシールディング技術および接続技術を可能にする
９）従来技術により機械加工されるものでも、あるいは将来の３次元マイクロマシニング技術によるものでも、湾曲したバックプレートをＰＣＢ上に取り付けて、焦点デバイスおよび他の超音波放射プロファイルを可能にする
１０）可とう性（または曲げ性）のトランスデューサ・アセンブリが、様々な可とう性回路基板技術を用いて可能になる
１１）はんだ層のリフローにより、またはおそらく様々な導電性エポキシなどにより、様々な要素と構成要素との接続を行うことができる
１２）ガス結合および液体結合の静電容量型トランスデューサをこの手法によって製造することができる
１３）すべての型の超音波トランスデューサ中の接続および信号線をシールディングしパターン化するために、この技術をより広く適用することができる
１４）熱リフローはんだ付けおよび他の技術を使用して一体化された開口部を含む上側薄膜電極構成要素を取り付けることができる
１５）電子業界ですぐに手に入る高密度同軸コネクタを使用することにより、静電容量トランスデューサを、特に厚さ方向に、しかも横方向にも、より小さくより小型に作ることができる

したがって、本発明によれば、以上に記載した目的、目標、利点を完全に満たす超音波プリント回路基板トランスデューサ・アセンブリ、およびその製造方法が提供されていることは明らかである。本発明をその例示の実施形態に関連して説明してきたが、多くの代替形態、変更形態、組合せ、および変形形態が前述の説明を考慮して当業者には明らかになることは明白である。したがって、本発明は、本発明の趣旨および広い範囲に含まれる、かかるすべての代替形態、変更形態、および変形形態を包含するものとする。

本発明の可能な一実施形態に従って製造される超音波プリント回路基板トランスデューサ・アセンブリの断面図である。 図１の超音波ＰＣＢトランスデューサの平面図である。 図１の超音波ＰＣＢトランスデューサの底面図である。 本発明の一代替実施形態に従って製造されるＰＣＢトランスデューサ・アセンブリの断面図である。 図３のＰＣＢトランスデューサの平面図である。 図３のＰＣＢトランスデューサの底面図である。 本発明の可能な一代替実施形態に従って製造されるＰＣＢトランスデューサ・アセンブリの断面図である。 本発明の可能な一代替実施形態に従って製造されるＰＣＢトランスデューサ・アセンブリの断面図である。 本発明の可能な一代替実施形態に従って製造されるＰＣＢトランスデューサ・アセンブリの断面図である。 本発明の可能な一代替実施形態に従って製造されるＰＣＢトランスデューサ・アセンブリの断面図である。

Claims (45)

1. 超音波トランスデューサ・アセンブリを製造する方法であって、
   上面および下面を有する多層のプリント回路基板を作成する工程と、
   前記上面にも前記下面にもパターン化された導電層を作成する工程と、
   前記基板上に少なくとも１つのパターン化されたバックプレート電極を作成する工程と、
   前記基板と一体化された少なくとも１つの導電性信号バイアを作成する工程と、
   前記基板と一体化された複数の収容バイアを作成する工程と、
   前記少なくとも１つのバックプレートのそれぞれの少なくとも一部分を粗面化して前記少なくとも１つのバックプレートの表面の前記一部分にガス・ポケットを導入する工程と、
   前記少なくとも１つのバックプレートと静電容量構造を形成するように構成される一体化された導電性表面を有する、絶縁性または誘電性の薄い膜を前記基板の一部分に付着する工程と
   前記膜および前記複数の収容バイアを部分的に使用して前記少なくとも１つのバックプレートを電気的に収容して使用中に前記バックプレートを取り囲む空間内に生成される電界を封じ込める工程と
   を含む方法。
2. 前記膜と一体化される保護層を追加する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記アセンブリ内の前記基板にパターン化されたはんだ層を追加する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記基板の前記上面または下面のうちのいずれか一方または両方に電気的、電子的、機械的、および／または音響的な要素を取り付ける工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記バイアが、前記基板に分布する複数のホールをあけ、その後、前記あけられたホールの側壁を電気めっきすることによって作成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記粗面化する工程が、機械的粗面化、機械加工、微細加工、研磨、サンドブラスト、フライス加工、旋削、電気化学エッチング、選択的めっき、レーザ加工、およびプラズマ・スパッタリングからなる群から選択されるプロセスによって行われる、請求項１に記載の方法。
7. 前記パターン化されたはんだ層が、機械的粗面化、機械加工、微細加工、研磨、サンドブラスト、フライス加工、旋削、電気化学エッチング、選択的めっき、レーザ加工、およびプラズマ・スパッタリングからなる群から選択されるプロセスによって粗面化される、請求項４に記載の方法。
8. 前記膜が、回転成形法、ゾル・ゲル法、プラズマ堆積、スパッタリング、蒸着、または電気めっきを使用して作成される、請求項１に記載の方法。
9. 前記膜が、ワイヤ・ボンディング、はんだ付け、導電性エポキシを用いた接着、および機械的容器構成要素によって加えられる機械的圧力接触からなる群から選択されるプロセスを用いて前記上部および下部の導電層上の接地平面に電気的に接続される、請求項１に記載の方法。
10. 前記膜が、マイラー、Ｋａｐｔｏｎ、テフロン（登録商標）、Ｋｙｎａｒ、ポリエチレン、ポリイミド、マイカ、窒化ケイ素、酸化アルミニウムからなる群から選択される絶縁膜から構成される、請求項１に記載の方法。
11. 前記膜の一部分がエレクトレットの形式で恒久的に帯電されて、前記アセンブリ内部の内部バイアス電界を供給する、請求項１に記載の方法。
12. 前記基板が、剛性または可とう性であることがある、請求項１に記載の方法。
13. 前記絶縁性または誘電性の膜が多層である、請求項１に記載の方法。
14. 前記多層膜中の層をパターン化し選択的に取り除いて前記アセンブリ中にさらなるガス・ポケットを導入する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つのバックプレートのそれぞれが、別々の信号バイアに関連づけられ、電気的に独立に収容され得る、請求項１に記載の方法。
16. 前記少なくとも１つのバックプレートのそれぞれが、別々のまたは同様な粗面化を有する、請求項１に記載の方法。
17. 超音波トランスデューサ・アセンブリを製造する方法であって、
    上面および下面を有する多層のプリント回路基板を作成する工程と、
    上面にも下面にもパターン化された導電層を作成する工程と、
    それぞれが少なくとも１つのバックプレート電極を含む少なくとも１つの個別構成要素を作成する工程と、
    前記少なくとも１つのバックプレートの少なくとも一部分を粗面化する工程と、
    前記基板に前記構成要素を取り付ける工程と、
    前記基板と一体化された少なくとも１つの導電性信号バイアを作成する工程と、
    前記基板と一体化された複数の収容バイアを作成する工程と、
    前記バックプレートと静電容量構造を形成するように構成されている一体化された導電性表面を有する、絶縁性または誘電性の薄い膜を少なくとも１つの前記基板または少なくとも１つの個別構成要素の一部分に付着する工程と
    前記膜および前記複数の収容バイアを部分的に使用して前記少なくとも１つのバックプレートを電気的に収容して使用中に前記バックプレートを取り囲む空間内に生成される電界を封じ込める工程と
    を含む方法。
18. 前記少なくとも１つのバックプレートから電気的に絶縁されることが可能なスペーサを前記少なくとも１つの個別構成要素上に作成する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つのバックプレートの前記それぞれと前記スペーサが、複数の破壊しやすい接続タブを使用して電気的に絶縁される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記構成要素が、２次元または３次元である、請求項１７に記載の方法。
21. 前記アセンブリ内の前記基板にパターン化されたはんだ層を追加する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
22. 前記構成要素上のはんだ層と前記基板上のはんだ層の間のリフローはんだ付けを使用して、前記少なくとも１つの個別構成要素のそれぞれを前記基板に取り付ける、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ボードが、剛性または可とう性であり得る、請求項１７に記載の方法。
24. 前記少なくとも１つの個別構成要素のそれぞれの表面の少なくとも一部分が電気的に導電性である、請求項１７に記載の方法。
25. 熱活性化導電性接着剤を塗布する工程、ＵＶ活性化導電性接着剤を塗布する工程、およびワイヤ・ボンディングからなる群から選択されるプロセスを使用して前記構成要素を前記基板に取り付ける、請求項１７に記載の方法。
26. 前記膜と一体化される保護層を追加する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
27. 前記基板の前記上面または下面のうちのいずれか一方または両方に電気的、電子的、機械的、および／または音響的な要素を取り付ける工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
28. 前記バイアが、前記基板に分布される複数のホールをあけ、その後、前記あけられたホールの側壁を電気めっきすることによって作成される、請求項１７に記載の方法。
29. 前記粗面化する工程が、機械的粗面化、機械加工、微細加工、研磨、サンドブラスト、フライス加工、旋削、電気化学エッチング、選択的めっき、レーザ加工、およびプラズマ・スパッタリングからなる群から選択されるプロセスによって行われる、請求項１７に記載の方法。
30. 前記パターン化されたはんだ層が、機械的粗面化、機械加工、微細加工、研磨、サンドブラスト、フライス加工、旋削、電気化学エッチング、選択的めっき、レーザ加工、およびプラズマ・スパッタリングからなる群から選択されるプロセスによって粗面化される、請求項２１に記載の方法。
31. 前記膜が、回転成形法、ゾル・ゲル法、プラズマ堆積、スパッタリング、蒸着、または電気めっきを使用して作成される、請求項１７に記載の方法。
32. 前記膜が、ワイヤ・ボンディング、はんだ付け、導電性エポキシを用いた接着、および機械的容器構成要素によって加えられる機械的圧力接触からなる群から選択されるプロセスを用いて前記上部および下部の導電層上の接地平面に電気的に接続される、請求項１７に記載の方法。
33. 前記膜が、マイラー、Ｋａｐｔｏｎ、テフロン（登録商標）、Ｋｙｎａｒ、ポリエチレン、ポリイミド、マイカ、窒化ケイ素、酸化アルミニウムからなる群から選択される絶縁膜から構成される、請求項１７に記載の方法。
34. 前記膜の一部分がエレクトレットの形式で恒久的に帯電されて、前記アセンブリ内部の内部バイアス電界を供給する、請求項１７に記載の方法。
35. 前記絶縁性または誘電性の膜が多層である、請求項１７に記載の方法。
36. 前記多層膜中の層をパターン化し選択的に取り除いて前記アセンブリ中にさらなるガス・ポケットを導入する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記少なくとも１つのバックプレートのそれぞれが、別々の信号バイアに関連づけられ、電気的に独立に収容され得る、請求項１７に記載の方法。
38. 前記少なくとも１つのバックプレートのそれぞれが、別々のまたは同様な粗面化を有する、請求項１７に記載の方法。
39. 剛性または可とう性である、上面および下面を有する多層プリント回路基板と、
    前記上面および下面の各面上のパターン化された導電層と、
    前記基板と一体化された少なくとも１つの導電性信号バイアと
    前記基板と一体化された複数の収容バイアと、
    上面の少なくとも一部分が粗面化されて前記バックプレート中にガス・ポケットが作成される、少なくとも１つのパターン化されたバックプレート電極と、
    前記バックプレートと静電容量構造を形成するように構成される一体化された導電性表面を有する、前記基板の一部分上に動作可能に付着される絶縁性の膜とを備え、
    前記膜および前記複数の収容バイアを部分的に使用して前記少なくとも１つのバックプレートを電気的に収容して使用中に前記バックプレートを取り囲む空間内に生成される電界を封じ込めるようにした超音波トランスデューサ・アセンブリ。
40. 前記少なくとも１つのバックプレートが、個別構成要素の一部であり、前記膜が、前記基板または前記個別構成要素のうちの少なくとも一方の一部分への付着によって動作可能に付着される、請求項３９に記載のアセンブリ。
41. 前記個別構成要素が、さらにスペーサを含む、請求項４０に記載のアセンブリ。
42. 前記バックプレートが、２次元または３次元であり得る、請求項４０に記載のアセンブリ。
43. 前記膜と一体化された保護層をさらに備える、請求項３９に記載のアセンブリ。
44. 前記絶縁膜が、多層になっている、請求項３９に記載のアセンブリ。
45. ピットが、前記膜中に、または前記膜と少なくとも１つのバックプレートとの間に作成される、請求項４４に記載のアセンブリ。

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