JP6530403B2 - 超音波トランスデューサアセンブリ及び超音波トランスデューサアセンブリを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサアセンブリ、特に、脈管内超音波トランスデューサのための容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）セル及びそれを製造する方法に関する。本発明はさらに、超音波トランスデューサに関する。

脈管内超音波デバイスの分野では、例えば、血管又は周辺組織の、ラジアル超音波画像を形成するためにカテーテルの先端に超音波トランスデューサを取り付けることが一般的に知られている。超音波トランスデューサ素子は、カテーテル先端の半径方向に超音波を送受信するために回転され得る。

脈管内超音波デバイスの機械走査式超音波トランスデューサ素子を超音波トランスデューサ素子の環状アレイを有する電子走査式デバイスによって置き換えることがさらに知られている。電子走査式脈管内超音波システムに使用される超音波トランスデューサ素子は通常、セラミック圧電材料に基づいており、これらのデバイスの製造は、高価且つ複雑であり、トランスデューサ素子は、脈管内トランスデューサのサイズを減少させるために縮小されることができない。

容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）は、ＩＣプロセス技術によるシリコンウエハに基づいて製造され、低コストで製造されることができ、脈管内超音波トランスデューサの寸法に縮小されることができる。環状超音波トランスデューサアレイを製造するために、セミフレキシブル超音波トランスデューサアレイが、環状アレイを形成するとともにカテーテルの半径方向に超音波を送受信するために、円筒形サブマウント構造の周りに巻かれる又は曲げられ且つ取り付けられるシリコンウエハ基板に基づいて形成される。

円筒形超音波トランスデューサアレイを形成するために円筒サブマウントアレイに取り付けられることができる屈曲可能な微細加工超音波トランスデューサアレイが特許文献１から知られている。

フレキシブル超音波トランスデューサアレイを支持するためのサブマウント構造は高精度で製作されなければならず、サブマウント構造への超音波トランスデューサアレイの取り付けは、困難であるとともに、脈管内超音波システムのための環形状超音波トランスデューサアレイを作るために、高精度のアライメント及び複雑なハンドリング装置を必要とする。

特許文献２は、心臓アブレーションモニタリング及び腫瘍アブレーションモニタリングにおける低侵襲超音波診断デバイスに適した超音波イメージング装置を開示し、トランスデューサアセンブリ及びトランスデューサシステムは、箔表面のアパーチャにトランスデューサパッチを埋め込むことによって製造されている。

ＵＳ ２００５／０１４６２４７ Ａ２ ＷＯ ２０１２／０６６４３０ Ａ１

本発明の目的は、特に、縮小されたサイズを有するとともに低い技術的努力で精密に製造されることができる脈管内超音波システムのための、改良された超音波トランスデューサアセンブリを提供することである。

本発明の第１の態様では、特に脈管内超音波システムのための、超音波トランスデューサアセンブリが提供され：
− 超音波を送受信するための複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイ、
− トランスデューサアレイを湾曲又は多角形形状に支持するためにトランスデューサアレイの両側に柔軟に接続される２つの支持要素、及び
− トランスデューサアレイへの支持要素の柔軟な接続のためにトランスデューサアレイ及び支持要素に接続されるフレキシブル接続層、を有する。

本発明のさらなる態様では、特に脈管内超音波システムのための、超音波トランスデューサアセンブリを製造する方法が提供され：
− 基板のトランスデューサ支持部分に接続されたトランスデューサアレイを提供するステップ、
− フレキシブル接続層を基板に接続するステップ、
− 支持要素がフレキシブル層を介してトランスデューサ部分に接続されるようにトランスデューサ部分を支持するための支持要素を形成するよう、基板の一部をトランスデューサ支持部分から分離するステップ、及び
− 支持要素をトランスデューサ支持部分に接続するようにフレキシブル接続層を曲げるステップ、を含む。

本発明のまたさらなる態様では、特に脈管内超音波システムのための、超音波トランスデューサが提供され、先端及びこの種の超音波トランスデューサアセンブリを有する超音波トランスデューサを含む細長いプローブを有する。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項に規定される。請求項に記載された方法は、請求項に記載されたデバイスと及び独立請求項に規定されるのと同様の及び／又は同一の好適な実施形態を有することが理解されるべきである。

本発明は、製造努力を減らすために及び支持要素及びトランスデューサ素子が低い技術的努力で互いに正確に組み立てられることができるようにトランスデューサアレイ及び支持要素をフレキシブル接続層を介して同じ製造プロセスで接続するために、同じマイクロ製造プロセスでトランスデューサ素子及び支持要素を製造するためのアイディアに基づいている。超音波トランスデューサアセンブリは、トランスデューサアレイを湾曲又は多角形形状で支持するために、支持要素をフレキシブル接続層を介してトランスデューサアレイに曲げることによって組み立てられることができる。したがって、フレキシブル接続層が支持要素及びトランスデューサアレイを予め定められた位置に接続するので、製造努力が減少する。さらに、トランスデューサアレイ及び支持要素はマイクロ製造プロセスで製造されることができるので、超音波トランスデューサアセンブリのサイズが減らされることができる。

好適な実施形態では、接続層は、トランスデューサ素子を支持要素に電気的に接続するための電気配線を有する。これは、トランスデューサ素子の電気的な接続がトランスデューサアセンブリに統合されるので、製造努力をさらに減少させるという可能性である。

さらなる好適な実施形態では、支持要素は、トランスデューサアセンブリをドライバ装置に電気的に接続するための少なくとも２つの電気接点部を有する。これは、トランスデューサアセンブリを低い技術的努力でドライバ装置に、例えば、コネクタ又はプラグによって、接続するという可能性である。

好適な実施形態では、支持要素は、円形又は多角形形状を有する支持部を有する。これは、超音波トランスデューサアセンブリの外側形状を定める及びトランスデューサアレイを予め定められた形状で支持するという可能性である。

支持要素が、支持部より大きい直径を有する接続部を有することがさらに好ましく、接続部は、接続層に接続される。したがって、トランスデューサアレイは、組立てられた超音波トランスデューサアセンブリがしっかりしたメインボディを有するように、半径方向に支持部によって及び軸方向に支持部より大きい直径を有する接続部によって支持されることができる。

さらなる好適な実施形態では、接続層は、支持要素の端面に接続される。これは、支持要素及びトランスデューサアレイがフレキシブル接続層への平面に接続されることができるので、製造努力をさらに減少させるという可能性である。

さらなる好適な実施形態では、支持要素は、超音波トランスデューサアセンブリを支持するための中心凹部を有する。これは、凹部に接続可能な単一のボルトによって、カテーテル先端等に同軸に取り付けるという可能性である。

超音波トランスデューサアセンブリは、トランスデューサアレイの両側に柔軟に接続される２つの支持要素を有する。これは、トランスデューサアレイが両側で支持されることができるので、超音波トランスデューサアセンブリの安定性をさらに向上させるという可能性である。

好適な実施形態では、フレキシブル層は、ポリイミド層又はパリレン層である。これは、低い技術的努力を伴う支持要素とトランスデューサアレイとの間の柔軟な接続を提供するという単純な可能性である。

好適な実施形態では、アセンブリは、円筒形又は多面形を有し、トランスデューサ素子は、超音波を半径方向に送受信するために超音波トランスデューサアセンブリの周面に配置される。これは、半径方向に超音波を送受信するという及び脈管内超音波システムを形成するように超音波トランスデューサアセンブリをカテーテル等と組み合わせるという可能性である。

超音波トランスデューサアセンブリを製造するための方法の好適な実施形態では、基板は、フレキシブル層と反対側の表面においてエッチマスクによって覆われる。これは、支持要素及びトランスデューサアレイがフレキシブル層を介して依然として接続されながら、支持要素をトランスデューサアレイから低い技術的努力で分離させるという可能性である。

好適な実施形態では、支持要素は、基板のドライエッチングによって分離される。これは、低い技術的努力で正確且つ予め定められた形状を有する支持要素を提供するための単純な解決法である。

トランスデューサアレイ及び支持要素を有する超音波トランスデューサアセンブリが、基板のドライエッチングによって及びフレキシブル層を機械的に分離することによって、基板から分離されることがさらに好ましい。これは、トランスデューサアセンブリを基板の中に規定するという及びトランスデューサアセンブリを基板から低い技術的努力で、基板の外にドライエッチングプロセスによって規定される要素を破壊することによって引き抜くという単純な可能性である。

上述のように、支持要素及びトランスデューサアレイを接続するフレキシブル層のために、超音波トランスデューサアセンブリは、トランスデューサ素子が支持要素に湾曲又は多角形形状で接続されることができるように、支持要素をトランスデューサアレイに曲げることによって組み立てられることができる。トランスデューサアレイ及び支持要素は、マイクロ製造プロセスによりシリコン基板から形成されるので、超音波トランスデューサアセンブリは、超音波トランスデューサアセンブリが脈管内超音波システムのために使用されることができるように及び高い精度且つ低い技術的努力で製造されることができるように、縮小されることができ且つ小さい寸法を備えることができる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになるとともに同実施形態を参照して説明されるであろう。
組立前の平面図の超音波トランスデューサアセンブリの概略図を示す。 図１のトランスデューサアセンブリの概略図を側面図で示す。 超音波トランスデューサアセンブリの組立を説明するための超音波トランスデューサアセンブリの斜視図を示す。 組立てられた超音波トランスデューサアセンブリの概略断面を軸方向視で示す。 超音波トランスデューサアセンブリを製造するための製造ステップのシーケンスを示す。

図１は、全般的に１０で示される超音波トランスデューサアセンブリの概略上面図を示す。トランスデューサアセンブリは、超音波を送受信するための複数の超音波素子１４を含むトランスデューサアレイ１２を有する。トランスデューサアセンブリ１０は、トランスデューサアレイ１２のためのサブマウント要素として働く２つの支持要素１６、１８を有する。支持要素１６、１８は、円形形状を有し、フレキシブル接続層２０によりトランスデューサアレイ１２に接続されている。トランスデューサアレイ１２は、長手方向軸２１の方向に細長い形状を有する。

トランスデューサ素子１４は、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）として形成される。トランスデューサ素子１４は、トランスデューサアレイ１２が、以下に記載されるように、環状、円形又は多角形トランスデューサアレイ１２を形成するために曲げられることができるように、互いに柔軟に接続されている。トランスデューサ素子１４は、フレキシブル層によって互いに柔軟に接続されることができ、このフレキシブル層は、接続層２０に一体に接続され得る。

支持要素１６、１８はそれぞれ、トランスデューサアセンブリ１０を支持するために中心凹部２２、２４又は中心開口２２、２４又は中心穴２２、２４を有する。支持要素１６、１８をトランスデューサアレイ１２に柔軟に接続するフレキシブル接続層２０は、トランスデューサ素子１４を支持要素１６、１８に電気的に接続するための組み込まれた電気配線２６を有する。好ましくは、電気配線２６は、トランスデューサアレイ１２を駆動するためのドライバ装置にトランスデューサ素子１４を電気的に接続するために、支持要素１６、１８の表面に形成された電気接続要素２８又はボンドパッド２８に接続される。トランスデューサ素子１４のそれぞれは、トランスデューサ素子１４のそれぞれを別々に駆動するために、第１の支持要素１６の１つの接続要素２８及び第２の支持要素１８のコネクタ要素の１つと接続され得る。電気配線２６は、接続層２０の中に組み込まれ得る又は接続層２０の上にプリントされ得る。

トランスデューサアセンブリ１０は、トランスデューサアレイ１２及び支持要素１６、１８を形成するために集積回路プロセス技術を使用してマイクロ製造プロセスによってシリコンウエハから作られる。シリコンウエハは、ブランクウエハであり得る又はＣＭＯＳトランジスタのような前処理されたアクティブデバイス又は回路であり得る。

トランスデューサ素子１４は、フレキシブル層２０によって互いに接続されたＣＭＵＴトランスデューサを含むシリコンアイランドからなり得る。

支持要素１６、１８は、トランスデューサアセンブリ１０が以下にされに記載されるように円筒形に形成されるためにトランスデューサアレイ１２が支持要素１６、１８の周りに巻かれることができるように、支持要素１６、１８が９０°だけ曲げられることができるように、フレキシブル接続層２０によってトランスデューサアレイ１２に接続される。

図１に示された実施形態は、トランスデューサ素子１４のリニアアレイを有するが、トランスデューサ素子１４の任意の形状及び任意の構成が可能であるとともに本発明によって使用されることができる、例えば、一次元アレイに又は交互にずらされ（ｄｉｓｐｌａｃｅｄ）得るトランスデューサ素子１４の行と列を含む二次元アレイに配置される円形又は多角形トランスデューサ素子である。

図２は、トランスデューサアセンブリ１０の概略図をトランスデューサアレイ１２の長手方向軸２１に沿った側面視で示す。トランスデューサアレイ１２は、トランスデューサ素子１４を有し、フレキシブル接続層２０に取り付けられ、このフレキシブル接続層は好ましくは１つの部分として形成される。支持要素１６、１８は、支持部３０及び接続部３２を含む円筒形状を有し、接続部３２は支持部３０より大きい直径を有する。言い換えると、支持要素１６、１８は、「シャンパンのコルク」形状を有する。支持要素１６、１８の各接続部３２のベース面４又は端面３４は、フレキシブル接続層２０に接続される。支持要素１６、１８及びトランスデューサアレイ１２は、互いにある距離だけ離され、フレキシブル接続層２０のみによって互いに接続される。

トランスデューサアセンブリ１０を組み立てるために、支持要素１６、１８は、矢印３６によって示されるように、トランスデューサアレイ１２の長手方向軸２１周りに曲げられる。

完全に組み立てられた状態では、支持部３０の周面は、トランスデューサアレイ１２を支持するとともに組み立てられたトランスデューサアセンブリ１０の形を安定させるために、トランスデューサアレイ１２の裏面３８に取り付けられる。支持要素１６、１８の接続部３２は、トランスデューサアレイ１２を組み立てられたトランスデューサアセンブリ１０の軸方向に支持するためにトランスデューサアレイ１２の側面４０に当接する。

図３ａ、ｂは、トランスデューサアセンブリ１０の組み立てを説明するためにトランスデューサアセンブリ１０の概略斜視図を示す。同一の要素は同一の参照数字によって示され、ここでは単に違いが詳細に説明される。

第１のステップでは、支持要素は、支持要素１６、１８の内側端面４２、４４が、例えば、接着剤又ははんだ付けによって、互いに取り付けられ得るように、トランスデューサアレイ１２の長手方向軸２１の周りに曲げられる。

図３ｂでは、支持要素１６、１８は、トランスデューサアレイ１２を支持するために円柱要素を形成するようにそれらの内側端面４２、４４で互いに取り付けられる。フレキシブルトランスデューサアレイ１２は、矢印６によって示されるように曲げられ、支持要素１６、１８の支持部３０の周りに巻かれる。したがって、組立てられた形態では、トランスデューサアレイ１２は、支持部３０に半径方向に取り付けられるとともに接続部３２によって軸方向に支持される。

内側端面４２、４４は、接着剤又ははんだ付けによって互いに接続されている又はトランスデューサアレイ１２は、接着剤、ＰＤＭＳのようなシリコンゴム又は熱収縮チューブによって支持部に接続されている。

支持部３０の周面は、円若しくは環形状を有することができる、又は組み立てられたトランスデューサアセンブリ１０及び特に組み立てられたトランスデューサアレイ１２が対応する外形を有するように多面形状を有し得る。

図４は、軸方向視における組み立てられたトランスデューサアセンブリ１０の概略断面図を示す。

トランスデューサ素子１４は、支持要素１８の多面支持部３０の周りに巻かれ、それぞれ支持部３０の異なる面に取り付けられる。トランスデューサ素子１４は、トランスデューサアレイ１２の外側に設けられ得る接続層２０によって互いに柔軟に接続されている。そのように組立てられたトランスデューサアセンブリ１０によって、超音波はトランスデューサアセンブリ１０の半径方向に送信及び検出されることができる。

図５ａ−ｋは、トランスデューサアセンブリ１０を製造するための１つの方法ステップを示す。それは一般的にマイクロ製造プロセスによってシリコンウエハベースの上に製造される。

最初に、前処理されたトランスデューサ素子１４がシリコンウエハ基板５０に取り付けられる。基板は、ＣＭＯＳトランジスタのようなアクティブデバイスを含む完全に処理されたウエハであり得る。トランスデューサ素子１４は、トランスデューサアレイ１２が図５ａに示されるように形成される基板５０の部分の前側５１に取り付けられる又は形成される。

さらに、ハードマスク５２が、酸素層、例えば、図５ｂに示されるようなＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学蒸着）酸化物、の蒸着及びパターニングによって基板５０の後側５４に形成される。

次のステップでは、フレキシブル接続層２０が、図５ｃに示されるように基板５０の前側５１でトランスデューサ素子１４の上に形成される。フレキシブル接続層２０は、等しい厚みのポリイミドの２つの層の間に挟まれるアルミニウムリルーティング層からなるポリイミドフレキシブル箔である。フレキシブル接続層２０は、パリレン層であり得る。

基板５０の前側５１には、薄いアルミニウム層が、図５ｄに示されるようにプロセスの最後でフレキシブル接続層２０を構築するようにハードマスク５０を形成するために、蒸着され且つパターン形成される。

図５ｅに示されるように、基板５０の後ろ側５４は、ハードマスク５２を使用することによって約１００μｍの深さまでドライエッチングプロセスによってエッチングされる。さらに、時限酸化物エッチングプロセスが、図５ｆに示されるようにハードマスク５２のより薄い部分５８を除去するために基板５０の後側５４に使用される。

基板５０の後側５４に実行される第２のドライエッチングプロセスでは、基板５０は、支持要素１６、１８をトランスデューサ素子１４に取り付けられたトランスデューサ部分から分離させるために、フレキシブル接続層まで部分的にエッチングされる。異方性ドライエッチングプロセスのために、トランスデューサ部分の厚さは減らされ、段差が支持要素１６、１８に形成され、接続部３２と支持部３０との間の差を形成する。図５ｇに示されるように、このエッチングプロセスの後、支持要素１６、１８は、周囲のシリコン基板５０から分離され、ただフレキシブル接続層２０によって周囲の基板５０に接続されているだけである。

ハードマスクとして基板５０の前側５１にアルミニウム層を使用することによって、フレキシブル接続層２０は、図５ｈに示されるように支持要素１６、１８の凹所２２、２４、開口２２、２４又は中心穴２２、２４を形成するために、酸素プラズマによってパターン形成される。凹所又は開口又は中心穴２２、２４が支持要素１６、１８にエッチングされた後、ハードマスク５６が図５ｉに示されるように時限ウエットエッチングによって除去される。プロセスのこの段階において、トランスデューサアセンブリ１０が、完全に構築され、フレキシブル接続層２０から形成された小さいタブによって基板５０内に支持されているだけである。

最後に、トランスデューサアセンブリ１０は、図５ｋに示されるように基板５０へのトランスデューサアセンブリ１０の唯一の接続である小さいフレキシブルタブ２０を破壊することによって基板５０から除去される。

組立てられたトランスデューサアセンブリ１０の全高は、基板５０の厚さの２倍に制限されているが、複数のトランスデューサアセンブリ１０を柱に積み重ねることによって、細長い形状を有する超音波システムが、任意の長さを有して形成されることができる。

凹所２２、２４又は開口２２、２４又は穴２２、２４は、超音波トランスデューサシステムに接続されたトランスデューサアセンブリ１０の回転を防ぐために円形、四角形、三角形又は多角形形状を有し得る。

本発明は、図面及び上述の説明に詳しく図示され記述されているが、このような図示及び記述は、説明的又は例示的なものであり、制限するものとして見なされるべきではなく、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の他の変更例が、図面、開示及び添付の請求項の検討により、当業者によって、請求項に記載の本発明を実施する際に理解され実行されることができる。

請求項において、「含む、有する」という語は、他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞”ａ”又は”ａｎ”は複数性を除外しない。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。

請求項におけるいずれの参照符号も、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 (12)

1. 特に脈管内超音波システムのための、超音波トランスデューサアセンブリであって：
   − 超音波を送受信するための複数のトランスデューサ素子を含むトランスデューサアレイ、
   − 前記トランスデューサアレイを湾曲形状又は多角形形状に支持するように前記トランスデューサアレイの両側に柔軟に接続される２つの支持要素、及び
   − 前記トランスデューサアレイへの前記支持要素の柔軟な接続のために前記トランスデューサアレイ及び前記支持要素に接続されるフレキシブル接続層、を有し、
   それぞれの前記支持要素は、円形形状又は多角形形状を有する支持部を有し、前記トランスデューサアレイは、前記支持部の周りに折り畳み可能であり、
   前記それぞれの支持要素は、前記支持部より大きい直径を有する接続部を有し、前記接続部は、前記フレキシブル接続層に接続される、
   超音波トランスデューサアセンブリ。
2. 前記フレキシブル接続層は、前記トランスデューサ素子を前記支持要素に電気的に接続するための電気配線を有する、
   請求項１に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
3. 前記それぞれの支持要素は、前記超音波トランスデューサアセンブリをドライバ装置に電気的に接続するための少なくとも２つの電気接点部を有する、
   請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
4. 前記フレキシブル接続層は、前記支持要素の端面に接続される、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
5. 前記それぞれの支持要素は、前記超音波トランスデューサアセンブリを支持するための中心凹部を有する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
6. 前記フレキシブル接続層は、ポリイミド層又はパリレン層である、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
7. 前記超音波トランスデューサアセンブリは、円筒形状又は多面形状を有し、前記トランスデューサ素子は、前記超音波を半径方向に送受信するために前記超音波トランスデューサアセンブリの周面に配置される、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサアセンブリ。
8. 特に脈管内超音波システムのための、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：
   − 基板のトランスデューサ部分に接続されたトランスデューサアレイを提供するステップ、
   − フレキシブル接続層を前記基板に接続するステップ、
   − ２つの支持要素が前記フレキシブル接続層を介して前記トランスデューサアレイの両側に接続されるように前記トランスデューサ部分を支持するための前記２つの支持要素を形成するよう、前記基板の一部を前記トランスデューサ部分から分離するステップであって、それぞれの前記支持要素は円形形状又は多角形形状を有する支持部を有し、前記それぞれの支持要素は、前記支持部より大きい直径を有する接続部を有し、前記接続部は、前記フレキシブル接続層に接続される、ステップ、及び
   − 前記トランスデューサアレイが前記支持部の周りを巻くよう配置されるように前記支持要素を前記トランスデューサ部分に接続するために前記フレキシブル接続層を曲げるステップ、を含む、
   方法。
9. 前記基板は、前記フレキシブル接続層と反対側の表面においてエッチマスクによって覆われる、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記支持要素は、前記基板のドライエッチングによって分離される、
    請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記トランスデューサアレイ及び前記支持要素を含む前記超音波トランスデューサアセンブリは、前記基板のドライエッチングによって及び前記フレキシブル接続層を機械的に分離することによって、前記基板から分離される、
    請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 特に脈管内超音波システムのための、超音波トランスデューサであって、先端並びにプローブの半径方向に超音波を放射及び検出するための請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波トランスデューサアセンブリを含む細長いプローブを有する、
    超音波トランスデューサ。

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