JP6329491B2 - 荷電電圧源を有する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送信し及び／又は受信する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ装置（ＣＭＵＴ）装置及びその動作方法に関する。本発明は、例えば、特に超音波イメージング機能をもつ医療超音波システム（例えば診断又は治療医療超音波システム）において使用されることができる。

超音波（イメージング）システムの中心部分は、電気エネルギーを音響エネルギーに変換し、音響エネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサ素子又はトランスデューサセルを有するトランスデューサ装置である。従来、これらのトランスデューサ素子又はトランスデューサセルは、線形（１Ｄ）トランスデューサアレイに配される圧電性結晶であって、１０ＭＨｚまでの周波数で動作する圧電性結晶から作られる。しかしながら、マトリクス（２Ｄ）トランスデューサアレイに向かう傾向及び超音波（イメージング）機能をカテーテル及びガイドワイヤに組み込む小型化への推進が、いわゆる容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）装置の開発をもたらした。

ＣＭＵＴセルは、メンブレン（又はダイアフラム）と、メンブレンの下の空胴と、キャパシタを形成する電極と、を有する。超音波を受信するために、超音波は、メンブレンを動かし又は振動させ、電極間の変動及びキャパシタンスが検出されることができる。それによって、超音波は、対応する電気信号に変換される。逆に、電極に印加される電気信号はメンブレンを動かし又は振動させ、それによって超音波を送信する。言い換えると、電気信号又は電圧が、キャパシタを形成する電極に印加されるとき、電気信号又は電圧が、メンブレンを撓ませ、それによって、超音波圧力波を生じさせる。一般に、ＣＭＵＴセルは、マイクロエレクトロニクス半導体製作技法を使用して製造される。ＣＭＵＴ装置は、周波数カバレッジ及び製造の容易さの観点で、今日の圧電トランスデューサ装置にまさる利点を提供する。しかしながら、ＣＭＵＴ装置は、既存の圧電トランスデューサ装置に比べ、効率及び音響圧力出力の観点で不利益をなお有しうる。

音響圧力出力を増大させる試みにおいて、電極間に印加され又は供給される動作バイアス電圧が増大されることができる。しかしながら、絶縁破壊及び電荷トンネリング効果のため、印加されることができる動作バイアス電圧の制限がある。更に、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の形の駆動回路により動作バイアス電圧の制限が存在しうる。増大される又は過剰な動作バイアス電圧を印加することに伴う問題は、メンブレンが基板に向かって崩壊することであり、それによって、電極が互いに電気的に接触することがある。電極を隔て、それにより電極間の電気的接触を防ぐために、ＣＭＵＴセルは、電極間に１又は複数の誘電層を有することができる。具体的には、基板上の又は基板の一部としての第１の誘電層、及びメンブレン上の又はメンブレンの一部としての第２の誘電層が、使用されることができる。

ＣＭＵＴ装置の今日認識されている制限は、過剰な動作バイアス電圧が装置に印加される場合に、電極を隔てるために使用される誘電層が、ほぼ永続的に帯電された状態になりうることである。この帯電効果は、装置の構造の問題又は「信頼性問題」であり、望ましくない副次的効果として認識され考えられている。特に、誘電層の永続的な電荷は、音響トランスデューサ装置としての装置の効率を低減する。ＣＭＵＴ装置の出力圧力が、低い単極バイアス電圧で測定され、その後、このバイアス電圧が誘電層を帯電させるに十分なレベルまで増大される場合、ＣＭＵＴ装置は、元の低いバイアス電圧によって駆動されるときより低い出力圧力を示す。

米国特許出願公開第2010/0237807A1号は、メンブレン構造を形成する第１のプレート及び第２のプレートを含むＣＭＵＴを含む回路と、相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）互換電圧での回路電圧源と、ＣＭＯＳ互換電圧より大きく、第１のプレートに印加されるバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、回路の第２のプレート側に接続される入力を有する読み出し電子部品と、を有する容量性超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）装置をバイアスするシステム及び方法を開示する。一実施形態において、バイアス電圧は、信号の受信又は送信に関連するイベントに従って極性を交互させる。例えば、超音波イメージングプロシージャの間、直流バイアス源ではなく、周期的に極性を交互させるバイアス源が使用されることができる。これは、ＣＭＵＴを一定の直流バイアスに保持する間に生じする帯電問題を解決するために使用されることができる。

本発明の目的は、特に増大された出力圧力及び／又は受信感度をもつ改善されたＣＭＵＴ装置及びそれを製造する方法を提供することである。

本発明の第１の見地において、超音波を送信し及び／又は受信する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）装置であって、少なくとも１つのＣＭＵＴセルを含むＣＭＵＴ装置が提示される。ＣＭＵＴセルは、第１の電極を含む基板と、第２の電極を含むメンブレンと、第１の電極及び第２の電極の間の少なくとも１つの誘電層と、基板とメンブレンの間に形成された空胴と、を有する。ＣＭＵＴ装置は更に、超音波の送信中及び／又は受信中、第１及び第２の電極の間に第１の極性の動作バイアス電圧を供給する動作バイアス電圧源と、第１及び第２の電極の間に、第１の極性と逆の極性である第２の極性の付加の荷電電圧を供給する荷電電圧源と、を有する。

本発明の他の見地において、少なくとも１つのＣＭＵＴセルを有する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）装置の動作方法であって、少なくとも１つのＣＭＵＴセルが、第１の電極を含む基板と、第２の電極を含むメンブレンと、第１の電極及び第２の電極の間の少なくとも１つの誘電層と、基板及びメンブレンの間に形成される空胴と、を有するＣＭＵＴ装置の動作方法が示される。方法は、超音波の送信中及び／又は受信中、第１及び第２の電極の間に第１の極性の動作バイアス電圧を供給するステップと、第１及び第２の電極の間に、第１の極性と逆の極性である第２の極性の付加の荷電電圧を供給するステップと、を含む。

本発明の基本的な考えは、ＣＭＵＴ装置の出力圧力及び／又は受信感度を増大させるために、誘電層にトラップされる電荷の効果（帯電効果とも呼ばれる）を実際に使用することである。これは、誘電層の電荷の効果を解決し又は低減することが常に試みられていた従前技術とは異なる。帯電効果を使用することは、通常の動作バイアス電圧の極性と逆（又は反対）の極性をもつ付加の又は意図的な荷電電圧、特にＤＣ電圧を電極の間に供給する又は印加することによって、達成される。言い換えると、荷電電圧は、ＣＭＵＴセルの誘電層を意図的に帯電させるために印加される。例えば、ＣＭＵＴセルのメンブレンが、第１の誘電層を含むことができ、基板が、第２の誘電層を含むことができる。

動作バイアス電圧という語は、ＣＭＵＴ装置の動作フェーズ中、すなわち超音波の送信中及び／又は受信中に供給されるバイアス電圧を表す。付加の荷電電圧は、具体的には、動作フェーズ中に供給されない（すなわち超音波の送信中及び／又は受信中には供給されない）。例えば、最初に付加の荷電電圧が供給され又は印加され、次いで動作フェーズ中の動作バイアス電圧が、荷電電圧と逆の極性をもつ場合、装置の出力圧力又は受信感度が大幅に（例えば２倍又はそれ以上）増大されることができる。従って、誘電層における電荷の効果（帯電効果）は、出力圧力又は受信感度を増大させるために使用される。

特に、十分な荷電電圧を印加することによって、半永続的な電圧が、ＣＭＵＴ装置の電極に印加される。この半永続的な電圧は、誘電層にトラップされる電荷担体によってもたらされ、従って、それらはすぐには流出しない。この電圧は、本質的に、印加される動作バイアス電圧に加えられて、所与の外部印加電圧についてメンブレン上に効果的なより高い力をもたらす。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項に規定される。請求項に記載の方法は、請求項に記載の装置及び従属請求項に規定されるものと同様の及び／又は同一の好適な実施形態を含むことが理解されるべきである。

第１の実施形態において、荷電電圧は、電荷がほぼ永続的に少なくとも１つの誘電層にとどまるように、ＣＭＵＴ装置の製造中に供給される。ほぼ永続的という語は、電荷が装置の耐用年数にわたってとどまることを意味する。このように、ほぼ永続的な電荷は、製造中に誘電層に与えられ、装置の耐用年数にわたってとどまる。これは、従来のＣＭＵＴ装置に対する多くの変更なしに、荷電電圧又は電荷を供給する特に容易なやり方である。従って、装置のコストは実質的に増大されない。１つの例において、荷電電圧源は、荷電後にＣＭＵＴ装置から切り離されることができる外部電圧源でありうる。代替例において、荷電電圧源は、荷電電圧を再び印加するために後から（例えば装置の耐用年数の間に）使用されることができる装置の内部電圧源でありうる。

第２の実施形態において、ＣＭＵＴ装置は更に、少なくとも１つの誘電層内の電荷を制御するように動作バイアス電圧源及び／又は荷電電圧源を制御する制御ユニットを有する。これは特に電荷が誘電層に永続的に保持されることができないことが分かった場合に必要でありうる。このように、付加の荷電電圧は、装置を製造するときでなく、実際に装置を使用する際に供給されることができる。これは、より大きな柔軟性を提供する。例えば、制御ユニットは、ＣＭＵＴ装置の駆動回路、例えばＡＳＩＣにおいて実現されることができる。このように、装置のコストは実質的に増大されない。

他の実施形態又は変形例において、制御ユニットは、少なくとも１つの誘電層内に有意な電荷蓄積を提供するに十分長い時間期間の間、動作バイアス電圧を供給するように動作バイアス電圧源を制御するように適応される。このようにして、有意な帯電効果が存在することが確実にされる。代替の又は追加的な実施形態又は変形例において、制御ユニットは、少なくとも１つの誘電層を帯電させてＣＭＵＴセルの出力圧力及び／又は受信感度を増大させるに十分長い時間期間の間、荷電電圧を供給するように荷電電圧源を制御するように適応される。このように、帯電効果は最適に使用される。

別の実施形態又は変形例において、制御ユニットは、超音波の送信中及び／又は受信中の第１の時間期間の間、動作バイアス電圧を供給するように動作バイアス電圧源を制御するように適応される。代替として又は付加的に、制御ユニットは、超音波の非送信中及び／又は非受信中、第２の時間期間の間荷電電圧を供給するように荷電電圧源を制御するように適応される。このようにして、動作バイアス電圧及び荷電電圧は、同じ時間の間には印加されない。特に、動作バイアス電圧が、装置の動作フェーズ中に供給され、荷電電圧は、このような動作フェーズ中に供給されないことを確実にする。１つの例において、第２の時間期間は、第１の時間期間より前である。別の例において、第２の時間期間は、第１の時間期間より後である。更に他の例において、第２の時間期間は、２つの第１の時間期間の間にある。

別の実施形態又は変形例において、制御ユニットは、荷電電圧を周期的に供給するように荷電電圧源を制御するように適応される。特に、荷電電圧は、各々のスキャンラインの前に又は各々のフレームの前に供給されることができる。このように、後続の動作中の出力圧力を増大し及び／又は受信感度を増大するようなやり方で、装置は意図的に荷電される。このように、出力圧力及び／又は受信感度は永続的に増大されることが確実にされる。これは、装置の性能及び／又は信頼性を増大する。

更に他の実施形態又は変形例において、制御ユニットは、第１の電圧レベルで動作バイアス電圧を供給するように動作バイアス電圧源を制御し、及び第１の電圧レベルと異なる第２の電圧レベルで荷電電圧を供給するように荷電電圧源を制御する。こうして、荷電電圧の電圧レベルは、動作バイアス電圧の電圧レベルと同じである必要はない。これは、装置の柔軟性を増大させる。１つの例において、第２の電圧レベルは、第１の電圧レベルより小さいものでありうる。代替例において、第２の電圧レベルは、第１の電圧レベルより大きいものでありうる。

別の実施形態において、ＣＭＵＴ装置は、少なくとも１つの誘電層の電荷を監視する監視ユニットを更に有する。このように、誘電層内の電荷がなお装置の出力圧力及び／又は受信感度を増大させることができるかどうかが監視され又はチェックされることができる。これは、装置の機能を改善する。例えば、監視ユニットは、ＣＭＵＴ装置の駆動回路、例えばＡＳＩＣ、において実現されることができる。この方法において、装置のコストは実質的に増大されない。

この実施形態の変形例において、監視ユニットは、ＣＭＵＴ装置のキャパシタンス対電圧曲線のシフトを監視するように適応される。これは、誘電層内の電荷を監視する１つの効率的なやり方である。この実施形態の代替の又は付加的な変形例において、監視ユニットは、荷電電圧を変化させながら、出力圧力及び／又は受信感度を監視するように適応される。特に、最小音響圧力及び／又は感度をもたらす荷電電圧が、決定されることができる。これは、誘電層内の電荷を監視する別の効率的なやり方である。このようにして、監視は、とりわけ容易な態様で実現されることができる。

この実施形態の更に別の変形例において、監視ユニットは、少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であるときを検出するように適応される。このようにして、誘電層の電荷が不十分になり、ゆえにアクションをとる必要があるかどうかが監視され又はチェックされることができる。これは、装置の信頼性を改善する。例えば、監視ユニットは、現在監視された電荷を予め規定された値と比較するように適応されることができる。１つの例において、キャパシタンス対電圧の現在のシフトが、予め規定された値と比較されることができる。別の実施形態において、現在出力圧力及び／又は受信感度が、予め規定された値と比較されることができる。

他の実施形態又は変形例において、少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であることを監視ユニットが検出すると、制御ユニットは、荷電電圧を再び印加するように荷電電圧源を制御するように適応される。このように、誘電層の電荷は、ＣＭＵＴ装置の耐用年数を通じてリフレッシュされることができる。これは、改善された出力圧力及び／又は受信感度を維持することを可能にする。このように、装置の性能及び／又は信頼性が増大される。例えば、出力圧力及び／又は受信感度が低下して、ＣＭＵＴ装置が、所望の出力圧力及び／又は受信感度を達成するために荷電電圧により再び荷電されることを必要とするときまで、ＣＭＵＴ装置は、その通常動作の状態にあることができる。

別の実施形態において、制御ユニット及び監視ユニットは、同じ装置において実現される。特に、制御ユニット及び監視ユニットは、ＣＭＵＴ装置の駆動回路、例えばＡＳＩＣにおいて実現されることができる。このようにして、装置のコストは実質的に増大されない。

更に他の実施形態において、ＣＭＵＴ装置は、超音波を送信するために第１及び第２の電極の間に交流電流を供給する交流電流源を更に有する。このように、超音波（又はパルス）を送信し、送信された超音波（又はパルス）のエコーを受信する従来のＣＭＵＴ装置が提供される。例えば、交流電流源は、従来のやり方で装置の駆動回路（例えばＡＳＩＣ）によって制御されることができる。

別の実施形態において、ＣＭＵＴ装置は、高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）トランスデューサ装置である。このように、ＨＩＦＵトランスデューサ装置においては高出力圧力が必要とされるので、帯電効果が、最適なやり方法で使用されることができる。ＨＩＦＵトランスデューサ装置は、例えば、アブレーションを通じて病原組織を速く加熱し破壊するために医療システムにおいて使用されることができる。

他の実施形態において、動作バイアス電圧源及び荷電電圧源は、１つの単一電圧源において実現される。これは、装置のコストを低減する。代替実施形態において、バイアス電圧源及び荷電電圧源は、別個の電圧源として実現される。これは、装置の柔軟性を増大する。例えば、２つの異なる電圧レベルがこのようにして実現されることができる。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかであり、それを参照して説明される。

一般的なＣＭＵＴセルの概略断面図。 一般的なＣＭＵＴセルの電気特性の概略図。 本発明の一実施形態によるＣＭＵＴ装置を示す図。 本発明の第１の実施形態による、特に図３の実施形態による、ＣＭＵＴ装置の概略ブロック図。 本発明の第２の実施形態によるＣＭＵＴ装置の概略ブロック図。 本発明の第３の実施形態によるＣＭＵＴ装置の概略ブロック図。 第１の例によるＣＭＵＴ装置の動作を示す図。 第２の例によるＣＭＵＴ装置の動作を示す図。

図１は、一般的なＣＭＵＴセル１０の概略断面図を示す。ＣＭＵＴトランスデューサセル１０は、通常、基板１３上の複数の同様の隣接セルとともに制作される。基板１３は、基板ベース層１２を含む。ダイアフラム又はメンブレン１５が、絶縁支持体１６によって基板の上方に支持される。このように、空胴１８が、メンブレン１５及び基板１３の間に形成される。メンブレン１５は、メンブレンベース層１４を含む。メンブレン及び基板の間の空胴１８は、空気又はガスで満たされ、あるいは、完全に又は部分的に空けられる。導電性フィルム又は層が、基板１３の第１の電極２２を形成し、同様のフィルム又は層が、メンブレン１５の第２の電極２０を形成する。空胴１８によって隔てられるこれらの２つの電極２０、２２は、キャパシタンス又はキャパシタを形成する。音響信号の形の超音波が、メンブレン１５を振動させるとき、キャパシタンスの変化が検出されることができ、それによって、超音波を対応する電気信号に変換し又は変える。逆に、電極２０、２２に印加される交流電流（ＡＣ）又はＡＣ信号は、キャパシタンスを変調させ、メンブレンを動かして、音響信号として超音波を送信する。言い換えると、超音波を受信するために、超音波は、メンブレン１５を動かし又は振動させ、電極２０、２２の間の変化及びキャパシタンスが検出されることができる。それによって、超音波は、対応する電気信号に変換される。逆に、電極２０、２２に印加される電気信号は、メンブレンを動かし又は振動させ、それによって超音波を送信する。

ＣＭＵＴは、本質的に二次的デバイスであり、音響信号は、通常、印加される信号の高調波であり、すなわち、音響信号は、印加される電気信号の周波数の２倍の周波数である。この二次的挙動を防ぐために、一般に、バイアス電圧が、２つの電極２０、２２に印加され、これは、結果として得られるクーロン力によって、メンブレン１５が基板１３に引き寄せられるようにする。図２は、一般的なＣＭＵＴセルの電気特性の概略図を示す。図２に、ＣＭＵＴセルが概略的に示されており、直流バイアス電圧Ｖ_Ｂが、バイアス端部２４に印加され、ＡＣ信号に例えば誘導性インピーダンスのような高インピーダンスＺをもたらすパスによってメンブレン電極２０に結合される。ＡＣ信号は、ＡＣ信号端部２６からメンブレン電極２０に、又はメンブレン電極２０からＡＣ信号端部２６に、容量結合される。メンブレン１５上の正電荷は、基板１３上の負電荷に引き寄せられ、メンブレンを拡張させる。メンブレンが拡張されると、ＣＭＵＴセルは最も感受性が高くなり、従って、容量性装置の２つの反対に帯電されたプレートが、可能な限り互いに近づくようになることが分かった。２つの電極又はプレートの近接は、音響及び電気信号エネルギーの間のより大きな結合を生じさせる。従って、バイアス電圧Ｖ_Ｂを増大させることが望ましい。

メンブレン１５及び基板１３の間の誘電スペーシング３２は、動作信号条件下で維持されることができる範囲において可能な限り小さい。しかしながら、印加バイアス電圧があまりに大きい場合、メンブレン１５は基板１３と接触し、装置の２つの電極又はプレートがファンデアワールス力によって互いにくっついてしまうので、装置を短絡させることがある。ＣＭＵＴセルがオーバドライブされるとき、このくっつきが生じることがあり、同じバイアス電圧Ｖ_Ｂであっても、製造誤差の変動のため装置ごとに異なりうる。

永続的なくっつきは、電極２０、２２の間に電気絶縁層又は誘電層を提供することによって、又は電極２０、２２にそれを埋め込むことによって、低減されることができる。例えば、いわゆるＯＮＯ誘電層（シリコン酸化物−シリコン窒化物−シリコン酸化物）が、使用されることができ、これは例えば国際公開第２０１０／０３２１５６Ａ２号に開示されており、その内容のすべてが参照によって本願明細書に盛り込まれるものとする。

このような誘電層を有するＣＭＵＴ装置の制限は、過剰な動作バイアス電圧が装置に印加される場合に電極２０、２２を隔てるために使用される誘電層が、ほぼ永続的に帯電するようになることである。図３は、一実施形態によるＣＭＵＴ装置１を示す。図４は、第１の実施形態による、特に図３の実施形態による、ＣＭＵＴ装置１の概略ブロック図を示す。ＣＭＵＴ装置１は、ＣＭＵＴセル１０を有し、ＣＭＵＴセル１０は、第１の電極２２を含む基板１３と、第２の電極２０を含むメンブレン１５と、第１の電極２２及び第２の電極２０の間の少なくとも１つの誘電層２１、２２と、基板１３とメンブレン１５の間に形成された空胴１８と、を有する。図３に示される例において、ＣＭＵＴセル１０は、第１の誘電層２３及び第２の誘電層２１を含む。基板１３は、第１の誘電層２３を含み、メンブレンは、第２の誘電層２１を含む。しかしながら、ただ１つの誘電層が提供されることができ、又は電極２０、２２が各々、誘電層に埋め込まれることができることが理解されるであろう。

図３又は図４から分かるように、ＣＭＵＴ装置１は、超音波を送信するために、第１及び第２の電極２２、２０の間に交流電流又はＡＣ信号を供給する交流電流（ＡＣ）源２７を有する。ＡＣ源２７は、ＡＣ信号端部又は接続部６を通じてＣＭＵＴセル１０の電極２０、２２に接続される。ＣＭＵＴ装置１は、交流電流又はＡＣ信号がＣＭＵＴセル１０の電極２０、２２に供給されるとき、超音波（又はパルス）を送信し、それから、ＣＭＵＴ装置１は、送信された超音波（又はパルス）のエコーを受信する。例えば、交流電流源２７は、装置のＡＳＩＣによって制御されることができる。

ＣＭＵＴ装置１は更に、超音波の送信中及び／又は受信中、第１及び第２の電極２０、２２の間に第１の極性の動作バイアス電圧Ｖ_Ｂ、特にＤＣ電圧、を供給する動作バイアス電圧源２５を有する。動作バイアス電圧源２５は、バイアス電圧端部又は接続部２４を通じてＣＭＵＴセル１０の電極２０、２２に接続される。ＣＭＵＴ装置１は更に、第１及び第２の電極の間に、第１の極性と逆の極性である第２の極性の付加の荷電電圧Ｖ_Ｃ、特にＤＣ電圧、を供給する荷電電圧源３０を有する。荷電電圧源３０は、荷電電圧端部又は接続部２９を通じてＣＭＵＴセル１０の電極２０、２２に接続される。この荷電電圧源３０を使用することによって、誘電層にトラップされた電荷の効果が、ＣＭＵＴ装置の出力圧力及び／又は受信感度を増大するために使用されることができ、特に、通常の動作バイアス電圧Ｖ_Ｂの極性とは逆（又は反対）の極性を有する付加の又は意図的な荷電電圧Ｖ_Ｃを電極２０、２２の間に供給し又は印加することによって、実現されることができる。

特に、図３及び図４に示すように、バイアス電圧源２５及び荷電電圧源３０は、別々の電圧源として実現されることができる。これは、装置の柔軟性を増大する。しかしながら、動作バイアス電圧源及び荷電電圧源は、１つの単一電圧源において実現されることもできることが理解されるであろう。

図３及び図４を参照して記述されるＣＭＵＴ装置の対応する動作方法において、方法は、特に動作バイアス電圧源２５を使用して、超音波の送信中及び／又は受信中、第１及び第２の電極２０、２２の間に第１の極性の動作バイアス電圧Ｖ_Ｂを供給するステップと、特に荷電電圧源３０を使用して、第１及び第２の電極の間に、第１の極性と逆の極性である第２の極性の付加の荷電電圧Ｖ_Ｃを供給するステップと、を含む。

１つの例又は実施形態（図示せず）において、荷電電圧は、（例えば、荷電の後、ＣＭＵＴ装置から切り離されることができる外部電圧源を使用して、）それがほぼ永続的に少なくとも１つの誘電層２１、２にあるように、ＣＭＵＴ装置１の製造中に供給される。ほぼ永続的という語は、電荷が装置１の耐用年数にわたってとどまることを意味する。このように、ほぼ永続的な電荷が、製造中に誘電層に与えられ、装置の耐用年数にわたってとどまる。

別の例又は実施形態が図５を参照して説明される。図５は、第２の実施形態によるＣＭＵＴ装置１の概略ブロック図を示す。図５の第２の実施形態は、図４の第１の実施形態に基づくものであるので、図４の実施形態と同じ説明が、図５の実施形態に当てはまる。例えば、電荷が誘電層に永続的に維持されることができないことが分かった場合、図５の例又は実施形態が使用されることができる。図５のこの実施形態において、ＣＭＵＴ装置１は更に、少なくとも１つの誘電層２１、２３内の電荷を制御するように動作バイアス電圧源２５及び／又は荷電電圧３０源を制御する制御ユニット４０を有する。装置に制御ユニット４０を提供することにより、付加の荷電電圧Ｖ_Ｃが、装置１を製造するときではなく、実際に装置を使用する際に供給されることができる。対応する動作方法は、特に制御ユニット４０を使用して、少なくとも１つの誘電層２１、２３内の電荷を制御するように、動作バイアス電圧（又はバイアス電圧源２５）を制御する及び／又は荷電電圧（又は荷電電圧源３０）を制御するステップを含む。図５の実施形態において、制御ユニット４０は、バイアス電圧源２５及び荷電電圧源３０を制御する。制御ユニット４０は、第１の制御信号接続２８を通じてバイアス電圧源２５に第１の制御信号を送信し、第２の制御信号接続３１を通じて荷電電圧源３０に第２の制御信号を送信する。具体的には、第１の制御信号が、超音波の送信中及び／又は受信中に送信され、第２の制御信号は送信されない。更に、一方がバイアス電圧源２５用であり、他方が荷電電圧源３０用である、２つの異なる制御ユニットが提供されることができることが理解されるであろう。更に、制御ユニット４０がＡＣ源２７を制御することもできることが分かるであろう。例えば、制御ユニット４０は、ＣＭＵＴ装置１のＡＳＩＣにおいて実現されることができる。

特に、制御ユニット４０は、少なくとも１つの誘電層２１、２３内に有意な電荷蓄積を提供するに十分長い時間期間の間、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂを供給するように動作バイアス電圧源２５を制御するよう適応される。このようにして、有意な帯電効果が存在することが確実にされる。更に、制御ユニット４０は、ＣＭＵＴセル１０の出力圧力及び／又は受信感度を増大させるように少なくとも１つの誘電層２１、２３を帯電させるに十分長い時間期間の間、荷電電圧Ｖ_Ｃを供給するように荷電電圧源３０を制御するように適応される。このようにして、帯電効果が最適に使用される。

ＣＭＵＴ装置１の動作が、図７及び図８を参照して更に詳しく説明される。図７は、第１の例によるＣＭＵＴ装置の動作を示し、図８は、第２の例によるＣＭＵＴ装置の動作を示す。図７ａ又は図８ａを参照して、交流電流又はＡＣ信号は、例えば上述のＡＣ源２７を使用して、超音波を送信するために電極間に供給される。図７ｂ又は図８ｂから分かるように、ＡＣ信号又は電圧が供給されるとき、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂが更に供給される。従って、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂは、ＣＭＵＴ装置の動作フェーズ中、すなわち超音波の送信中及び／又は受信中、供給される。例えば、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂは、上述の動作バイアス電圧源２５を使用して供給されることができる。動作バイアス電圧Ｖ_Ｂは、特に上述の制御ユニット４０を使用して、超音波の送信中及び／又は受信中、第１の時間Ｔ_Ｂ期間の間供給される。時間期間Ｔ_Ｂの動作フェーズ中のＡＣ信号又は電圧Ｖ_ＡＣ及びバイアス電圧Ｖ_Ｂは、図７ｃ又は図８ｃに示されるように、合計電圧Ｖ_ｓｕｍに合計される。

図７ｄ又は図８ｄから分かるように、付加の荷電電圧Ｖ_Ｃは、動作フェーズ中は供給されず、すなわち超音波の送信中及び／又は受信中は送信されない。例えば、荷電電圧Ｖ_Ｃは、上述の荷電電圧源３０を使用して供給されることができる。荷電電圧Ｖ_Ｃは、特に上述の制御ユニット４０を使用して、超音波が送信されない及び／又は受信されない時間中、第２の時間期間Ｔ_Ｃの間供給される。従って、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂは、装置の動作フェーズ中に供給され、荷電電圧Ｖ_Ｃは、このような動作フェーズ中に供給されないことが確実にされる。

図７の例において、第２の時間期間Ｔ_Ｃは、第１の時間期間Ｔ_Ｂより前にある。従って、対応する動作方法において、まず、第２の極性の付加の荷電電圧Ｖ_Ｃが供給され、その後、動作フェーズ中に、それとは逆の第１の極性の動作バイアス電圧Ｖ_Ｂが供給される。例えば、前述したように、荷電電圧は、ＣＭＵＴ装置の製造中、時間期間Ｔ_Ｃの間供給されることができ、それにより、電荷は、ほぼ永続的に少なくとも１つの誘電層２１、２３にとどまり、又は、荷電電圧は、装置を実際に使用するときに制御ユニット４０を使用して供給されることができる。図８の例において、第２の時間期間Ｔ_Ｃは、第１の時間期間Ｔ_Ｂより後である。従って、対応する動作方法において、まず、動作フェーズ中に第１の極性の動作バイアス電圧Ｖ_Ｂが供給され、その後、それとは逆の第２の極性の付加の荷電電圧Ｖ_Ｃが供給される。

図７又は図８の例において、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂは、第１の電圧レベルＶ１において供給され、荷電電圧Ｖ_Ｃは、第１の電圧レベルＶ１とは異なる第２の電圧レベルＶ２で供給される。従って、荷電電圧Ｖ_Ｃの電圧レベルＶ２は、動作バイアス電圧Ｖ_Ｂの電圧レベルＶ１と同じでない。図７の例において、第２の電圧レベルＶ２は、第１の電圧レベルＶ１より小さい。図８の例において、第２の電圧レベルＶ２は、第１の電圧レベルＶ１より大きい。しかしながら、これは、逆の態様で実現されてもよいことが理解されるであろう。更に、電圧レベルは同じであってもよいことが理解されるであろう。

２つの特定の例が、図７及び図８に示されているが、ここに開示されるＣＭＵＴ装置を動作させる任意の他の適切な方法が使用されうることが理解されるであろう。例えば、図７の例及び図８の例は、組み合わせられることができる。そのような場合、第２の時間期間Ｔ_Ｃは、２つの第１の時間期間Ｔ_Ｂの間にある。例えば、特に各々のスキャンラインの前に又は各々のフレームの前に、荷電電圧Ｖ_Ｃは、周期的に供給されることができる。このように、後続の動作の間、出力圧力及び／又は受信感度を増大させるようなやり方で、装置が意図的に荷電される。代替として、例えば、荷電電圧Ｖ_Ｃが、製造中に一度だけ、又は例えば以下に記述される監視ユニットによって決定されるように必要な場合のみ、供給されることができる。

図６は、第３の実施形態によるＣＭＵＴ装置の概略ブロック図を示す。図６の第３の実施形態は、図５の第２の実施形態に基づくので、図５の実施形態と同じ説明が、図６の実施形態にも当てはまる。図６の実施形態において、ＣＭＵＴ装置１は、少なくとも１つの誘電層２１、２３の電荷を監視する監視ユニット５０を更に有する。図６の実施形態において、監視ユニット５０は、接続５１を通じてＣＭＵＴセル１０に接続される。このように、誘電層２１、２３の電荷が装置の出力圧力及び／又は受信感度をなお増大させることができるかどうかが、監視され又はチェックされることができる。例えば、監視ユニットは、前述したようにＣＭＵＴ装置のＡＳＩＣにおいて実現されることができる。特に、制御ユニット４０及び監視ユニット５０は、同じ装置において、例えばＣＭＵＴ装置のＡＳＩＣにおいて、実現されることができる。

１つの例において、監視ユニット５０は、ＣＭＵＴ装置のキャパシタンス対電圧曲線の変化を監視するように適応される。この例において、（電極２０、２２間の）キャパシタンスは、監視ユニット５０及びＣＭＵＴセル１０の間の接続５１を通じて測定されることができ、バイアス電圧ＶＢは、監視ユニット５０、及びバイアス電圧源２５又は制御ユニット４０の間の別の接続（図６に不図示）を通じて測定されることができる。このように、キャパシタンス対電圧曲線が測定され、そのシフトが監視され又は検出する。

別の例において、監視ユニット５０は、荷電電圧を変えながら、出力圧力及び／又は受信感度を監視するように適応される。この例において、出力圧力及び／又は受信感度は、接続５１を通じて測定されることができ、荷電電圧Ｖ_Ｃは、監視ユニット５０及び荷電電圧源３０又は制御ユニット４０の間の別の接続（図６に不図示）を通じて変動されることができる。特に最小音響圧力及び／又は感度をもたらす荷電電圧が決定されることができる。例えば、動作バイアス電圧及び荷電電圧は、更に（例えばハイドロホンを使用することによって）音響出力圧力を測定しながら、監視されることができる。荷電電圧が印加され又は供給されるとき、音響出力圧力が増大することが測定されることができる。

監視ユニット５０は、特に現在監視された電荷を、予め規定された値と比較することによって、少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であるときを検出するように適応されることができる。例えば、キャパシタンス対電圧曲線の現在測定されたシフトが、予め規定された値と比較されることができ、又は、現在測定された出力圧力及び／又は受信感度が、予め規定された値と比較されることもできる。制御ユニット４０は、少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であることを監視ユニット５０が検出するときに、荷電電圧を再び印加するように荷電電圧源３０を制御するように適応されることができる。例えば、監視ユニット５０が、電荷が不十分であることを検出するとき、対応する信号が、監視ユニット５０及び制御ユニット４０の間の接続５２（図６の破線によって示される）を通じて送信されることができる。このようにして、誘電層内の電荷は、ＣＭＵＴ装置の耐用年数にわたってリフレッシュされることができる。これは、改善された出力圧力及び／又は受信感度を維持することを可能にする。例えば、ＣＭＵＴ装置は、出力圧力及び／又は受信感度が低下され、ＣＭＵＴ装置が、所望の出力圧力及び／又は受信感度を達成するために荷電電圧で再び帯電されることを必要とするときまで、その通常動作の状態にありうる。

ここに記述されるＣＭＵＴ装置１は、さまざまなアプリケーションにおいて使用されることができる。例えば、ここに記述されるＣＭＵＴ装置１は、特に超音波イメージング機能をもつ医用超音波システム（例えば診断又は治療医用超音波システム）において使用されることができる。特に、ここに記述されるＣＭＵＴ装置１は、高い強度集束超音波（ＨＩＦＵ）トランスデューサ装置でありうる。ＨＩＦＵトランスデューサ装置は、例えば、アブレーションを通じて病原性組織を迅速に加熱し破壊するために、医療システムにおいて使用されることができる。ＨＩＦＵトランスデューサ装置においては、高い出力圧力が必要とされる。従って、帯電効果は、このようなＨＩＦＵトランスデューサ装置に関して最適に使用されることができる。

本発明は、図面及び上述の説明において詳しく示され記述さているが、このような図示及び記述は、説明的又は例示的なものと考えられるべきであり、制限的なものではない。本発明は、開示された実施形態に制限されない。開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する際に当業者によって理解され達成されることができる。

請求項において、「含む、有する（comprising）」という語は、他の構成要素を除外せず、不定冠詞である「a」又は「an」は、複数性を除外しない。単一の構成要素又は他のユニットは、請求項に列挙されるいくつかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。

請求項における参照符号は、本発明の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (17)

1. 超音波を送信し及び／又は受信する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）装置であって、
   第１の電極を含む基板、第２の電極を含むメンブレン、前記第１の電極と前記メンブレンとの間の少なくとも１つの誘電層、及び前記基板と前記メンブレンとの間に形成された空洞、を有し、前記誘電層は、前記ＣＭＵＴセルの出力圧力及び／又は受信感度を増大させる、トラップされる電荷を保持するように構成され、前記誘電層は、前記第１の電極と前記メンブレンとの間の電気的接触を防ぐために前記空洞において延在する、少なくとも１つのＣＭＵＴセルと、
   超音波の送信中及び／又は受信中、前記第１及び前記第２の電極の間に第１の極性の動作バイアス電圧を供給する動作バイアス電圧源と、
   前記第１及び前記第２の電極の間に、前記第１の極性と逆の極性である第２の極性の付加の荷電電圧を供給する荷電電圧源と、
   前記トラップされる電荷を生成するために、前記少なくとも１つの誘電層を帯電させるのに十分長い時間期間の間、前記荷電電圧を供給するように前記荷電電圧源を制御する制御ユニットであって、前記動作バイアス電圧源が前記動作バイアス電圧を供給する期間より前に前記荷電電圧を供給するように、前記荷電電圧源を制御する、制御ユニットと
   を有するＣＭＵＴ装置。
2. 前記荷電電圧は、前記ＣＭＵＴ装置の製造中に供給され、ほぼ永続的に前記少なくとも１つの誘電層に残存する、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
3. 前記制御ユニットが更に、前記動作バイアス電圧源及び／又は前記荷電電圧源を制御する、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
4. 前記制御ユニットは、前記少なくとも１つの誘電層に有意な電荷蓄積を提供するのに十分長い時間期間の間、前記動作バイアス電圧を供給するように前記動作バイアス電圧源を制御する、請求項３に記載のＣＭＵＴ装置。
5. 前記制御ユニットは、超音波の送信中及び／又は受信中、第１の時間期間の間前記動作バイアス電圧を供給するように前記動作バイアス電圧源を制御し、超音波の非送信中及び／又は非受信中、第２の時間期間の間前記荷電電圧を供給するように前記荷電電圧源を制御する、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
6. 前記制御ユニットは、特に各々のスキャンラインの前に又は各々のフレームの前に、前記荷電電圧を周期的に供給するように前記荷電電圧源を制御する、請求項１又は３に記載のＣＭＵＴ装置。
7. 前記制御ユニットは、第１の電圧レベルで前記動作バイアス電圧を供給するように前記動作バイアス電圧源を制御し、第１の電圧レベルと異なる第２の電圧レベルで前記荷電電圧を供給するように前記荷電電圧源を制御する、請求項３に記載のＣＭＵＴ装置。
8. 前記少なくとも１つの誘電層の電荷を監視する監視ユニットを更に有する、請求項１乃至７に記載のＣＭＵＴ装置。
9. 前記監視ユニットは、前記荷電電圧が変化する間、前記ＣＭＵＴ装置のキャパシタンス対電圧曲線の変化を監視し、又は出力圧力及び／又は受信感度を監視する、請求項８に記載のＣＭＵＴ装置。
10. 前記監視ユニットは、前記少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であるときを検出する、請求項８に記載のＣＭＵＴ装置。
11. 前記制御ユニットは、前記少なくとも１つの誘電層内の電荷が不十分であることを前記監視ユニットが検出するとき、前記荷電電圧を再び印加するように前記荷電電圧源を制御する、請求項１又は請求項１０に記載のＣＭＵＴ装置。
12. 前記制御ユニット及び前記監視ユニットが、同じ装置において、特に前記ＣＭＵＴ装置のＡＳＩＣにおいて、実現される、請求項８に記載のＣＭＵＴ装置。
13. 超音波を送信するために、前記第１及び前記第２の電極間に交流電流を供給する交流電流源を更に有する、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
14. 前記ＣＭＵＴ装置が高強度集束超音波トランスデューサ装置である、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
15. 少なくとも１つのＣＭＵＴセルを有する容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサの動作方法であって、前記ＣＭＵＴセルは、第１の電極を含む基板と、第２の電極を含むメンブレンと、前記ＣＭＵＴセルの出力圧力及び／又は受信感度を増大させる、トラップされる電荷を保持するように構成され、前記第１の電極と前記メンブレンとの間の電気的接触を防ぐように構成される、前記第１の電極及び前記メンブレンの間の少なくとも１つの誘電層と、前記基板及び前記メンブレンの間に形成された空洞と、を有し、前記方法が、
    前記少なくとも１つの誘電層に前記トラップされる電荷を生成するのに十分長い時間期間の間、前記第１及び前記第２の電極の間に、第１の極性の荷電電圧を供給するステップと、
    前記トラップされる電荷が生成された後、超音波の送信中及び／又は受信中、前記第１及び前記第２の電極の間に、前記第１の極性と逆の極性である第２の極性の動作バイアス電圧を供給するステップと
    を含む方法。
16. 前記基板が第１の誘電層を含み、前記メンブレンが第２の誘電層を含む、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。
17. 前記ＣＭＵＴセルは、前記基板上の又は前記基板の一部としての第１の誘電層、及び前記メンブレン上の又は前記メンブレンの一部としての第２の誘電層を有する、請求項１に記載のＣＭＵＴ装置。

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