JP6782691B2 - 血管内超音波撮像装置、インターフェースアーキテクチャ、及び製造方法 - Google Patents

血管内超音波撮像装置、インターフェースアーキテクチャ、及び製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、一般に、血管内超音波（ＩＶＵＳ：intravascular ultrasound）撮像に関し、特に、ソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムに関する。様々な実施形態において、ＩＶＵＳ撮像システムは、圧電ジルコン酸トランスデューサ（ＰＺＴ：piezoelectric zirconate transducer）、静電容量型微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：capacitive micromachined ultrasonic transducer）、及び／又は圧電型微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ：piezoelectric micromachined ultrasound transducer）等の超音波トランスデューサのアレイを含み、アレイは、関連の制御論理回路と共に半導体基板上に形成される。次いで、半導体基板は、スキャナアセンブリを形成するように円筒形状に丸められて、血管内の細長い部材の遠位端に配設される。得られるデバイスは、周囲を囲まれた空間内に前進し、周囲構造を撮像するのに適している。例えば、本開示の幾つかの実施形態は、ヒトの血管を撮像するのに特に適したＩＶＵＳ撮像システムを提供する。
血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像は、心血管インターベンションにおいて、人体内の動脈等の罹患血管を評価して、治療の必要性を判断し、インターベンションをガイドし、及び／又はその効果を評価するための診断ツールとして広く使用されている。ＩＶＵＳデバイスは、細長い部材の遠位端に配置された１つ又は複数の超音波トランスデューサを含む。細長い部材は、血管内に通され、それにより、撮像対象の領域にトランスデューサをガイドする。トランスデューサは、超音波エネルギーを放出して、対象の血管の画像を作成する。超音波は、組織構造（血管壁の様々な層等）、赤血球、及び他の対象物から生じる不連続性によって一部反射される。反射された波からのエコーが、トランスデューサによって受信され、ＩＶＵＳ撮像システムに送られる。撮像システムは、受信された超音波エコーを処理して、デバイスが配置される血管の断面画像を生成する。
今日、大まかに２つのタイプのＩＶＵＳデバイスが存在する。即ち、回転型とソリッドステート型（合成開口フェーズドアレイとしても知られている）である。典型的な回転型ＩＶＵＳデバイスの場合、単一の超音波トランスデューサ要素が、対象の血管内に挿入されたプラスチックシース内部で回転する可撓性ドライブシャフトの先端に位置される。トランスデューサ要素は、超音波ビームがデバイスの軸に概して垂直に伝播するように向けられる。流体を充填されたシースは、回転するトランスデューサ及びドライブシャフトから血管組織を保護すると共に、超音波信号がトランスデューサから組織内に及びその逆に伝播できるようにする。ドライブシャフトが回転するとき、トランスデューサは、高い電圧パルスで周期的に励起されて、短いバーストの超音波を放出する。次いで、同じトランスデューサが、様々な組織構造から反射されて戻るエコーを聞き取る。ＩＶＵＳ撮像システムが、トランスデューサの１回の解像中に生じるパルス／獲得サイクルのシーケンスから、血管断面の２次元表示を組み立てる。
対照的に、ソリッドステートＩＶＵＳデバイスはスキャナアセンブリを利用し、スキャナアセンブリは、１組のトランスデューサ制御装置に接続されたデバイスの円周の周りに分布された超音波トランスデューサのアレイを含む。トランスデューサ制御装置は、超音波パルスを送信し、エコー信号を受信するためのトランスデューサセットを選択する。送信−受信セットのシーケンスを通してステッピングすることによって、ソリッドステート型ＩＶＵＳシステムは、可動部品なしで、機械的にスキャンされたトランスデューサ要素の効果を合成することができる。回転する機械的要素が存在しないので、トランスデューサアレイは、血管外傷のリスクを最小限にしながら、血液及び血管組織と直接接触して配置され得る。更に、回転する要素が存在しないので、インターフェースが単純化される。ソリッドステートスキャナは、単純な電気ケーブル及び標準的な着脱可能な電気コネクタを備える撮像システムに直接、有線接続され得る。
ＩＶＵＳデバイスが限られた空間内に前進されるので、可撓性と制御性との間のバランスを取るデバイス機敏性が重要な特性である。回転デバイスは、シース内部に含まれる可撓性の回転ドライブシャフトにより、コーナの周りで滑らかに前進する傾向がある。しかし、回転型ＩＶＵＳデバイスは、ガイドワイヤを係合するために長い迅速交換先端をしばしば必要とし、長い先端は、トランスデューサを含む撮像コアの前進を制限し得る。例えば、これは、デバイスが、冠動脈内部の非常に遠位の位置まで前進されるのを妨げ得る。他方、ソリッドステート型ＩＶＵＳデバイスは、ガイドワイヤがスキャナの内腔を通過することができるので、より短い先端を有し得る。しかし、幾つかのソリッドステートデザインは、脈管構造内の急な湾曲の周りで細長い部材を前進させる能力を制限する剛性セグメントを有する。また、ソリッドステート型ＩＶＵＳデバイスは、トランスデューサアレイ及び関連の電子回路を収容するために、回転型デバイスよりも直径が大きい傾向がある。
既存のＩＶＵＳ撮像システムは有用であることが分かっているが、全体的な直径を減少し、細長い部材の剛性部分の長さを短縮して、脈管構造へのアクセスを改良できるように、ソリッドステート型スキャナの設計を改良する必要がある。更に、非常に小さい構成要素の組立てに固有の難点により、製造及び組立て技法への改良も有益であることが分かっている。従って、スキャナアセンブリ及びその構成要素、並びにこれらの要素を製造する際に使用される方法への改良が必要とされる。
本開示の実施形態は、ソリッドステート型撮像システム内のコンパクトで効率的なスキャナアセンブリを提供する。
幾つかの実施形態では、血管内超音波（ＩＶＵＳ）デバイスが提供される。このデバイスは、可撓性の細長い部材と、可撓性の細長い部材の遠位部分に配設された超音波スキャナアセンブリであって、複数のトランジスタが形成された半導体基板を含む超音波スキャナアセンブリとを備え、超音波スキャナアセンブリが丸められた形態であるときに、半導体基板が、実質的に円筒形状を有するように湾曲され、超音波スキャナアセンブリが丸められた形態であるときに、複数のトランジスタが円筒形構成で構成される。一例では、デバイスは、半導体基板に形成され、トランスデューサ制御回路に電気的に結合された複数の超音波トランスデューサを更に備え、複数の超音波トランスデューサが、超音波スキャナアセンブリが丸められた形態であるときに円筒形構成で構成される。
幾つかの実施形態では、超音波撮像用のスキャナアセンブリが提供される。このスキャナアセンブリは、丸め可能な半導体基板と、丸め可能な半導体基板の制御領域に形成されたトランスデューサ制御論理回路と、丸め可能な半導体基板のトランスデューサ領域に形成され、トランスデューサ制御論理回路に電気的に結合されたトランスデューサとを備え、トランスデューサ制御論理回路及びトランスデューサが、湾曲したプロファイルを有する。１つのそのような実施形態では、丸め可能な半導体基板は、湾曲した形状を有するシリコン半導体を含む。
幾つかの実施形態では、血管内超音波デバイスを製造する方法が提供される。この方法は、半導体基板を受け取るステップと、トランジスタを半導体基板上に形成するステップと、超音波トランスデューサを半導体基板上に形成するステップと、トランジスタを有する半導体基板と、半導体基板上に形成された超音波トランスデューサとを、実質的に円筒形状を有するように丸めるステップとを含み、丸めが、トランジスタ及び超音波トランスデューサそれぞれのプロファイルを変える。一例では、方法は、半導体基板を丸める前に、半導体基板を剛性の状態から丸め可能な状態に変えるためのプロセスを実施するステップを更に含む。
本開示の幾つかの実施形態は、スキャナアセンブリの直径及び長さを減少するために改良された製造技法を利用する。スキャナアセンブリが剛性であるので、サイズの減少は、より応答性の高いデバイスを生成し、より細長い部材を実現可能にし得る。従来のスキャナアセンブリの寸法は、制御装置及びトランスデューサ等の平坦な要素をほぼ円筒形のデバイス内に配置するという幾何学面での問題と、シリンダの長さに沿った断面形状の相違に対処するための移行区域の必要性とによって一部決定され得る。対照的に、本開示の幾つかの実施形態では、トランスデューサ及び制御論理回路は、丸め可能な基板上に形成される。丸め段階中、トランスデューサ及び制御論理回路を含む基板全体が、より円筒形のデバイスを形成するように湾曲され得る。空間をより効率的に利用することによって、丸め可能な基板は、デバイス密度を高め、スキャナアセンブリのサイズを縮小する。より一様なプロファイルを形成することによって、丸め可能な基板は、より短い移行区域を可能にすることがあり、丸められたアセンブリの長手方向軸に沿ったスキャナアセンブリの長さを更に短縮する。得られるＩＶＵＳデバイスは、より狭く、より可撓性であり、従って、複雑な脈管分枝を通して操縦することが可能である。
幾つかの実施形態は、デバイスサイズを更に縮小するために、スキャナアセンブリの要素を単一の半導体基板に製造するという利点を利用する。要素をディスクリートダイに分割し、ダイを分離し、及びダイを可撓性の相互接続線に組み立て直すのではなく、この実施形態では、要素は、スキャナアセンブリの製造全体を通じて半導体基板上に残っている。これは、複数のダイと関連付けられるパッケージングバルクをなくし、より高い信頼性の相互接続を形成し得る。更に、小さい構成要素をダイシングし、構成要素を可撓性の相互接続線に結合することに関連付けられる歩留まり損失が回避される。その結果、製造技法は、組立てを単純化し、組立て時間を短縮し、歩留まりとデバイス信頼性との両方を改良する。
追加の実施形態は、可撓性基板に特別に適合されるトランスデューサを組み込む。トランスデューサは、ダイアフラム又はドラムヘッドのアレイから形成される。幾つかの可撓性基板は比較的薄いので、各ダイアフラムの共鳴腔は浅いことがある。しかし、幾つかのダイアフラムを並列に接続することによって、実効サイズがはるかに大きくなる。これは、トランスデューサが、送信時にはよりパワフルな超音波信号を提供することを可能にし、受信時にはより強い電気信号を生成できるようにする。更に、トランスデューサの動作周波数は、並列に動作する要素の数を調節することによって同調され得る。その結果、より小さいパッケージでより高感度のトランスデューサが得られる。
本開示の追加の態様、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
添付図面を参照して、本開示の例示的実施形態を説明する。
本開示の一実施形態による血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像システムの概略線図である。 本開示の一実施形態によるＩＶＵＳシステムを利用する方法の流れ図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリの一部分の上面図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリの制御領域の断面図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリのトランスデューサ領域の断面図である。 本開示の一実施形態による、丸められた形態で示される超音波スキャナアセンブリの一部分の長手方向斜視図である。 本開示の一実施形態による丸め可能な半導体基板を組み込む超音波スキャナアセンブリの上面図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリの制御領域の断面図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリのトランスデューサ領域の断面図である。 本開示の一実施形態による、丸められた形態で示される超音波スキャナアセンブリの一部分の長手方向斜視図である。 本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリを製造する方法の流れ図である。 本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリの断面図である。 本開示の一実施形態による製造方法を施されたウェハ上に形成されたスキャナアセンブリの上面図である。 本開示の一実施形態によるトランスデューサアレイの一部分の上面図である。 本開示の一実施形態によるトランスデューサアレイの一部分の上面図である。 本開示の一実施形態によるＣＭＵＴ要素のアレイを組み込むトランスデューサの一部分の断面図である。 本開示の一実施形態による圧電要素のアレイを組み込むトランスデューサの一部分の断面図である。
以下、本開示の原理の理解を深めるために、図面に示される実施形態を参照し、実施形態を述べるために具体的な言葉を使用する。それにも関わらず、本開示の範囲に対する限定は意図されていないことを理解されたい。本開示が関係する技術分野の当業者には通常想到されるように、説明するデバイス、システム、及び方法に対する任意の代替及び更なる修正、並びに本開示の原理の任意の更なる用途が本開示において十分に考えられ、含まれている。例えば、心血管撮像に関してＩＶＵＳシステムを述べるが、この用途に限定されることは意図されていないことを理解されたい。このシステムは、限られたキャビティ内での撮像を必要とする任意の用途に同様によく適している。特に、一実施形態に関して述べる特徴、構成要素、及び／又はステップが、本開示の他の実施形態に関して述べる特徴、構成要素、及び／又はステップと複合され得ることが十分に考えられる。しかし、簡潔にするために、これらの組合せを個々に何度も繰り返しては述べない。
図１は、本開示の一実施形態による超音波撮像システム１００の概略線図である。高い水準で、撮像システム１００の細長い部材１０２（カテーテル、ガイドワイヤ、又はガイドカテーテル等）が、血管１０４内に前進される。細長い部材１０２の最遠位端は、超音波トランスデューサのアレイと関連の制御回路とを有するスキャナアセンブリ１０６を含む。スキャナアセンブリ１０６が撮像対象の領域付近に位置決めされると、超音波トランスデューサが作動され、超音波エネルギーが生成される。超音波エネルギーの一部が、血管１０４及び周囲の解剖学的構造によって反射され、トランスデューサによって受信される。対応するエコー情報が、患者インターフェースモニタ（ＰＩＭ：Patient Interface Monitor）１０８を介してＩＶＵＳコンソール１１０に送られ、ＩＶＵＳコンソール１１０は、その情報を、モニタ１１２上に表示するための画像としてレンダリングする。
撮像システム１００は、様々な超音波撮像技術の任意のものを使用し得る。従って、本開示の幾つかの実施形態では、ＩＶＵＳ撮像システム１００は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：lead-zirconate-titanate）セラミックから製造される圧電トランスデューサのアレイを組み込むソリッドステートＩＶＵＳ撮像システムである。幾つかの実施形態では、システム１００は、静電容量型微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）又は圧電型微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）を組み込む。
幾つかの実施形態では、ＩＶＵＳシステム１００は、Volcano Corporationから市販されているEagleEye（登録商標）カテーテルや、全体を参照により本明細書に援用する米国特許第７，８４６，１０１号で開示されているもの等、従来のソリッドステートＩＶＵＳシステムと同様の幾つかの特徴を含む。例えば、細長い部材１０２は、部材１０２の遠位端に超音波スキャナアセンブリ１０６を含み、超音波スキャナアセンブリ１０６は、部材１０２の長手方向本体に沿って延びるケーブル１１４によってＰＩＭ１０８及びＩＶＵＳコンソール１１０に結合される。ケーブル１１４は、制御信号、エコーデータ、及び電力を、スキャナアセンブリ１０６とＩＶＵＳシステム１００の残りの構成要素との間で搬送する。
一実施形態では、細長い部材１０２は、ガイドワイヤ出口ポート１１６を更に含む。ガイドワイヤ出口ポート１１６は、脈管構造（即ち血管）１０４を通して部材１０２を進めるためにガイドワイヤ１１８が遠位端に向けて挿入されるようにする。従って、幾つかの例では、ＩＶＵＳデバイスは、迅速交換カテーテルである。一実施形態では、細長い部材１０２はまた、遠位先端付近に膨張可能バルーン部分１２０も含む。バルーン部分１２０は、管腔に開いており、管腔は、ＩＶＵＳデバイスの長さに沿って延び、膨張ポート（図示せず）で終端する。バルーン１２０は、膨張ポートによって選択的に膨張及び収縮され得る。
ＰＩＭ１０８は、スキャナアセンブリ１０６の動作を制御するために、ＩＶＵＳコンソール１１０と細長い部材１０２との間での信号の通信を容易にする。これは、スキャナを構成するために制御信号を生成すること、送信機回路をトリガするために信号を生成すること、及び／又はスキャナアセンブリ１０６によって捕捉されたエコー信号をＩＶＵＳコンソール１１０に転送することを含む。エコー信号に関して、ＰＩＭ１０８は、受信された信号を転送し、幾つかの実施形態では、信号をコンソール１１０に送信する前に予備的な信号処理を行う。そのような実施形態の例では、ＰＩＭ１０８は、データの増幅、フィルタリング、及び／又は集約を行う。一実施形態では、ＰＩＭ１０８はまた、スキャナアセンブリ１０６内部の回路の動作をサポートするために高電圧及び低電圧ＤＣ電力を供給する。
ＩＶＵＳコンソール１１０は、ＰＩＭ１０８を介してスキャナアセンブリ１０６からエコーデータを受信し、データを処理して、スキャナアセンブリ１０６を取り囲む組織の画像を作成する。また、コンソール１１０は、モニタ１１２上に画像を表示し得る。超音波撮像システム１００は、様々な用途で利用され得て、生体内の血管及び構造を撮像するために使用され得る。血管１０４は、流体を充填された又は流体で取り囲まれた生体内の天然及び人工の構造を表し、そのような構造は、撮像対象となり得て、限定はしないが例えば以下の構造を含むことができる：肝臓、心臓、腎臓を含めた臓器、並びに身体の血液又は他の系内の弁。天然の構造の撮像に加えて、画像はまた、限定はしないが心弁、ステント、シャント、フィルタ、及び体内に位置決めされた他のデバイス等、人工の構造の撮像を含んでいてもよい。
図２は、本開示の一実施形態によるＩＶＵＳシステム１００を利用する方法２００の流れ図である。方法２００のステップの前、途中、及び後に追加のステップが提供され得ること、並びに、方法の他の実施形態に関しては、説明するステップの幾つかが置換又は省略され得ることを理解されたい。
図２のブロック２０２を参照し、引き続き図１も参照すると、システムの典型的な環境及び用途の例示的な実施例において、外科医は、ガイドワイヤ１１８を血管１０４内に配置する。ガイドワイヤ１１８は、ガイドワイヤ１１８を配置する前、途中、又は後に、細長い部材１０２の遠位端の少なくとも一部を通される。図２のブロック２０４を参照すると、ガイドワイヤ１１８が定位置に来ると、細長い部材１０２が、ガイドワイヤに被せて前進される。追加として又は代替として、ブロック２０２で、カテーテルが血管１０４内で前進され、ブロック２０４で、細長い部材１０２がガイドカテーテル内で前進される。ブロック２０６を参照すると、位置決めされた後、スキャナアセンブリ１０６が作動される。ケーブル１１４を介してＰＩＭ１０８からスキャナアセンブリ１０６へ送信された信号により、アセンブリ１０６内部のトランスデューサが指定の超音波波形を放出する。超音波波形は、血管１０４によって反射される。図２のブロック２０８を参照すると、反射光は、スキャナアセンブリ１０６内部のトランスデューサによって受信され、ケーブル１１４を介して送信するために増幅される。エコーデータは、ケーブル１１４に配置され、ＰＩＭ１０８に送信される。幾つかの例では、ＰＩＭ１０８は、エコーデータを増幅する、及び／又は予備的な前処理を行う。図２のブロック２１０を参照すると、ＰＩＭ１０８は、エコーデータをＩＶＵＳコンソール１１０に再送信する。図２のブロック２１２を参照すると、ＩＶＵＳコンソール１１０は、受信されたエコーデータを集約して組み立て、モニタ１１２に表示するための血管１０４の画像を生成する。幾つかの例示的な用途では、ＩＶＵＳデバイスは、撮像対象の血管１０４の領域を超えて前進され、スキャナアセンブリ１０６が動作しているときに引き戻され、それにより、血管１０４の長手方向部分を露出して撮像する。一定の速度を保証するために、幾つかの例ではプルバックメカニズムが使用される。典型的な引出し速度は、０．５ｍｍ／ｓである。幾つかの実施形態では、部材１０２は、膨張可能バルーン部分１２０を含む。治療処置の一部として、デバイスは、血管１０４内の狭窄（狭いセグメント）又は閉塞プラークに隣接して位置決めされ、血管１０４の狭まった領域を広げることを試みて膨張され得る。
システム１００、特に細長い部材１０２は、狭い経路内部からの高解像度撮像を提供するように設計される。現在の技術水準に対してＩＶＵＳ撮像デバイスの性能を進歩させるために、本開示の実施形態は、改良された可撓性及びより小さい直径を有し、操縦性を高め、患者安全性及び快適性を高める。細長い部材１０２は概して可撓性であるが、可撓性でない構成要素を内部に含んでいてもよい。例えば、超音波スキャナアセンブリ１０６は、しばしば剛性である。その結果、スキャナアセンブリ１０６は、細長い部材１０２の機敏性を制限することがあり、血管１０４内を通る移動をより難しくすることがある。更に、スキャナアセンブリ１０６内の超音波トランスデューサのバルク及び関連の回路は、細長い部材１０２の標準寸法をより小さくする取組みにおける制限因子となり得る。これら及び他の理由から、本明細書で提供される長手方向及び周方向でより小さい超音波スキャナアセンブリ１０６は、改良された機敏性を有するより細長い部材１０２が複雑な血管１０４内を通って移動できるようにし得る。また、特定の実施形態は、スキャナアセンブリ１０６を製造するより高速で、より安価で、より高信頼性の方法を提供する。
図３は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ１０６の一部分の上面図である。図３は、超音波スキャナアセンブリ１０６をその平坦な形態で示す。アセンブリ１０６は、トランスデューサ領域３０４に形成されたトランスデューサアレイ３０２と、制御領域３０８に形成されたトランスデューサ制御論理ダイ３０６（ダイ３０６Ａ及び３０６Ｂを含む）とを含み、それらの領域の間に移行領域３１０が設けられる。トランスデューサアレイ３０２に関して、アレイ３０２は、任意の数及びタイプの超音波トランスデューサ３１２を含んでいてよいが、見易くするために、幾つかの超音波トランスデューサのみが図３に示されている。一実施形態では、トランスデューサアレイ３０２は、６４個の個別の超音波トランスデューサ３１２を含む。更なる実施形態では、トランスデューサアレイ３０２は、３２個の超音波トランスデューサ３１２を含む。他の数も考えられ、提供される。これらのタイプのトランスデューサに関して、一実施形態では、超音波トランスデューサ３１２は、例えば全体を参照により本明細書に援用する米国特許第６，６４１，５４０号に開示されているような、ポリマー圧電材料を使用して微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：microelectromechanical system）基板上に製造された圧電型微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）である。代替実施形態では、トランスデューサアレイは、バルクＰＺＴセラミック又は単結晶圧電材料から製造された圧電トランスデューサ、圧電型微細加工超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、静電容量型微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、他の適切な超音波送信機及び受信機、及び／又はそれらの組合せを含む。
スキャナアセンブリ１０６は、図示される実施形態ではディスクリート制御論理ダイ３０６に分割されている様々なトランスデューサ制御論理回路を含んでいてよい。様々な実施例では、スキャナアセンブリ１０６の制御論理回路は以下のことを行う：ケーブル１１４を介してＰＩＭ１０８によって送信される制御信号を復号すること、超音波信号を放出するために１つ又は複数のトランスデューサ３１２を駆動させること、超音波信号の反射エコーを受信するために１つ又は複数のトランスデューサ３１２を選択すること、受信されたエコーを表す信号を増幅すること、及び／又はケーブル１１４を介してＰＩＭに信号を送信すること。図示される実施形態では、６４個の超音波トランスデューサ３１２を有するスキャナアセンブリ１０６は、制御論理回路を９個の制御論理ダイ３０６にわたって分割し、そのうちの５つが図示されている。他の実施形態では、８個、９個、１６個、１７個、及び１８個以上を含めた他の数の制御論理ダイ３０６を組み込む設計が利用される。一般に、制御論理ダイ３０６は、それらが駆動させることが可能なトランスデューサの数によって特徴付けられ、例示的な制御論理ダイ３０６は、４個、８個、及び１６個のトランスデューサを駆動させる。
制御論理ダイは、必ずしも一様でない。幾つかの実施形態では、単一の制御装置が、マスタ制御論理ダイ３０６Ａとして設計され、ケーブル１１４用の通信インターフェースを含む。従って、マスタ制御回路は、ケーブル１１４を介して受信された制御信号を復号する、ケーブル１１４を介して制御応答を送信する、エコー信号を増幅する、及び／又はケーブル１１４を介してエコー信号を送信する制御論理回路を含んでいてよい。残りの制御装置は、スレーブ制御装置３０６Ｂである。スレーブ制御装置３０６Ｂは、超音波信号を放出するためにトランスデューサ３１２を駆動させ、エコーを受信するためにトランスデューサ３１２を選択する制御論理を含んでいてよい。図示される実施形態では、マスタ制御装置３０６Ａは、任意のトランスデューサ３１２を直接は制御しない。他の実施形態では、マスタ制御装置３０６Ａは、スレーブ制御装置３０６Ｂと同数のトランスデューサ３１２を駆動させるか、又はスレーブ制御装置３０６Ｂに比べて少ない１組のトランスデューサ３１２を駆動させる。例示的実施形態では、単一のマスタ制御装置３０６Ａ及び８つのスレーブ制御装置３０６Ｂが、各スレーブ制御装置３０６Ｂに割り当てられた８つのトランスデューサを設けられる。
トランスデューサ制御論理ダイ３０６及びトランスデューサ３１２は、フレックス回路３１４に取り付けられ、フレックス回路３１４は、電気的結合のための構造的支持及び相互接続を提供する。フレックス回路３１４は、KAPTON（商標）（Du Pontの商標）等、可撓性のポリイミド材料のフィルム層を含むように構成され得る。他の適切な材料は、ポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレンナフタレンフィルム、又はポリエーテルイミドフィルム、他のフレキシブルプリント半導体基板、並びにUpilex（登録商標）（Ube Industriesの登録商標）及びTEFLON（登録商標）（E.I. du Pontの登録商標）等の製品を含む。幾つかの例では、フィルム層は、円環形状を形成するようにフェルールの周りに巻き付けられるように構成される。従って、フィルム層の厚さは、一般に、最終的に組み立てられたスキャナアセンブリ１０６での曲率に関係付けられる。フィルム層は、幾つかの実施形態では５μｍ〜１００μｍの間であり、幾つかの特定の実施形態は、１２．７μｍ〜２５．１μｍの間である。
制御論理ダイ３０６とトランスデューサとを電気的に相互接続するために、一実施形態では、フレックス回路３１４は、フィルム層に形成された導電性トレースを更に含み、導電性トレースは、制御論理ダイ３０６とトランスデューサ３１２との間で信号を搬送し、ケーブル１１４の導体を接続するための１組のパッドを提供する。導電性トレース用の適切な材料は、銅、金、アルミニウム、銀、ニッケル、及びスズを含み、スパッタリング、めっき、及びエッチング等のプロセスによってフレックス回路３１４上に堆積され得る。一実施形態では、フレックス回路３１４は、クロム接着層又はチタン−タングステン接着層を含む。導電性トレースの幅及び厚さは、フレックス回路３１４が丸められるときに適切な導電性及び弾性を提供するように選択される。その点で、導電性トレースの幅に関する例示的な範囲は、１０〜５０μｍである。例えば、一実施形態では、２０μｍの導電性トレースが、２０μｍの空間で離隔される。導電性トレースの幅は、デバイスのパッドのサイズ、又はトレースに結合されるべきワイヤの幅によって更に決定され得る。導電性トレースの厚さは、約１μｍ〜約１０μｍの範囲を有していてよく、典型的な厚さは５μｍである。
幾つかの例では、スキャナアセンブリ１０６は、平坦な構成から、丸められた又はより円筒形の構成に移行される。例えば、幾つかの実施形態では、全体を参照により本明細書に援用する「超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法（ULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME）」という名称の米国特許第６，７７６，７６３号及び「フレキシブル基板を有する高解像度血管内超音波トランスデューサアセンブリ（HIGH RESOLUTION INTRAVASCULAR ULTRASOUND TRANSDUCER ASSEMBLY HAVING A FLEXIBLE SUBSTRATE）」という名称の米国特許第７，２２６，４１７号の１つ又は複数に開示されているような技法が利用される。
図４は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ１０６の制御領域３０８の断面図である。制御領域３０８は、その丸められた形態で示され、フレックス回路３１４に結合されたトランスデューサ制御論理ダイ３０６を含む。図示される実施形態では、フレックス回路３１４は、導電性接地層４０２も含む。更なる実施形態では、フレックス回路４０４は、接地層４０２を絶縁及び被覆するため、並びにスキャナアセンブリ１０６を環境から保護するために使用される外膜４０４を含む。外膜４０４のための絶縁体材料は、それらの生体適合性、耐久性、親水性又は疎水性、低摩擦性、超音波透過性、及び／又は他の適切な基準に関して選択され得る。例えば、外膜は、Parylene（商標）（Union Carbideの商標）を含んでいてよい。他の適切な材料は、ポリエステル又はＰＶＤＦ等の熱収縮チューブ、Pebax（登録商標）（Arkemaの登録商標）又はポリエチレン等の溶融成形可能な層、及び／又は他の適切な膜材料を含む。
上で論じたように、多くの実施形態において、フレックス回路３１４及び付属要素は、フェルール４０６の周りで丸められる。フェルール４０６内部の管腔領域４０８は、スキャナアセンブリ１０６がガイドワイヤ（図示せず）に被さって前進されるように開いている。フェルール４０６は、手順中にスキャナアセンブリ１０６を可視化する助けとなるように放射線不透過性材料を含んでいてよい。幾つかの例では、カプセル化エポキシ４１０は、制御論理ダイ３０６とフェルール４０６との間の空間を充填する。
幾つかの実施形態では、制御論理ダイ３０６は、コンタクトバンプ４１２によってフレックス回路３１４に結合される。コンタクトバンプ４１２は、はんだ部分を有する銅コア等の金属コアを含んでいてよい。成形中、コンタクトが加熱され得て、それにより、はんだが流れ、コンタクトバンプ４１２の金属コアをフレックス回路３１４のトレースに接合する。結合強度を高めるため、制御領域３０８用の構造的支持を提供するため、コンタクトバンプ４１２を含む導電性構造を絶縁するため、及び／又は断熱を促進するために、制御論理ダイ３０６とフレックス回路３１４との間のアンダーフィル材料４１４が適用され得る。
一実施形態では、制御領域３０８は、トランスデューサ制御論理ダイ３０６にわたって適用される保定構造４１６を含む。保定構造４１６は、例えば制御論理ダイ３０６を含む構成要素を固定するために、丸めプロセス中に使用され得る。幾つかの実施形態では、カプセル化エポキシ４１０が、トランスデューサ制御論理ダイ３０６と保定構造４１６との間、及び保定構造４１６とフェルール４０６との間の空間を充填する。
図４から分かるように、トランスデューサ制御論理ダイ３０６は、制御領域３０８の形状を少なくとも一部画定する。図示される実施形態では、トランスデューサ制御論理ダイ３０６が剛性であるので、制御論理ダイ３０６に隣接するフレックス回路３１４の部分は比較的平坦であり、一方、ダイ３０６間の隙間に隣接するフレックス回路の部分は比較的丸みが付いており、円というよりは多角形に近い断面形状となる。見て分かるように、丸められた構成での制御論理ダイ３０６間の隙間は、制御領域３０８の実効直径４１８を増加する。幾つかの実施形態では、制御領域３０８の円周の半分が、隙間空間によるものである。その結果、より大きく、より不定形状のスキャナアセンブリ１０６が得られる。
隙間空間を縮小するために、幾つかの実施形態では、制御論理ダイ３０６は、噛合歯を含む。例えば、制御論理ダイ３０６は、凹部及び凸部を有するように形成され得て、凹部及び凸部は、隣接する制御論理ダイ３０６の凹部及び凸部と噛合して、ボックスジョイント又はフィンガジョイントを形成する。図示される実施形態では、各ダイ３０６は、凹部／凸部インターフェースを利用して２つの隣接する制御装置と噛合する。幾つかの実施形態では、制御論理ダイ３０６は、面取り縁部を単独で、又は凹部及び凸部との組合せで含む。面取り縁部は、隣接する制御論理ダイ３０６の縁部に当接するように構成され得る。そのような実施形態では、隣接する制御装置の縁部も面取りされる。幾つかの異なるメカニズムを利用する実施形態を含む他の組合せも考えられ、提供される。隣接する制御論理ダイ３０６を噛合する縁部構成は、丸められた構成においてより狭い制御論理ダイ間隔とより小さい直径４１８とを可能にし得る。また、そのような構成は、噛合して剛性構造を作製し、それにより、丸められたスキャナアセンブリ１０６のための追加の構造的支持を提供し得る。追加として又は代替として、より大きいダイの代わりに、より狭い制御論理ダイ３０６がより多数使用されて、制御装置領域３０８の平坦な領域のサイズを減少する。従って、８個、９個、１６個、又は１７個以上のトランスデューサ制御論理ダイ３０６を利用する設計が、４個又は５個の制御装置を有する設計よりも円形の断面を有する。
図５は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ１０６のトランスデューサ領域３０４の断面図である。トランスデューサ領域３０４は、その丸められた形態で示されている。名前が示唆するように、スキャナのトランスデューサ領域３０４は、トランスデューサ３１２を含み、トランスデューサ３１２は、上で開示したように、フレックス回路３１４に物理的に取り付けられ、フレックス回路３１４のトレースに電気的に結合される。見て分かるように、超音波トランスデューサ３１２のサイズ、形状、及び間隔は、トランスデューサ領域３０４の形状を少なくとも一部画定し、トランスデューサ３１２に隣接するフレックス回路３１４の部分は比較的平坦であり、トランスデューサ３１２間の隙間に隣接するフレックス回路の部分は比較的丸みが付いている。１つには、トランスデューサ３１２のサイズが小さく数が多いことにより、トランスデューサ領域３０４は、制御領域３０８よりも円形であり得る。６４個の超音波トランスデューサ３１２を有する実施形態では、トランスデューサ領域３０４の断面は、ほぼ円形である。
トランスデューサ領域３０４と制御領域３０８との断面形状の相違に対処するために、スキャナアセンブリ１０６は、図６に示されるように移行領域３１０を含んでいてよい。図６は、本開示の一実施形態による、丸められた形態で示される超音波スキャナアセンブリ１０６の一部分の長手方向斜視図である。図６を参照すると、移行領域３１０は、トランスデューサ領域３０４と制御領域３０８との間に位置される。トランスデューサ領域３０４及び制御領域３０８とは対照的に、移行領域３１０は剛性構造を有さない。断面形状は、隣接する領域３０４及び３０８によって画定される。従って、移行領域３１０の形状は、トランスデューサ領域３０４の形状と制御装置領域３０８の形状との間で移行する。移行領域３１０は、フレックス回路３１４及び／又は導電性トレースに応力をかけ得る鋭角を減少するために使用され得る。断面形状のより大きい相違は、移行領域３１０をより長くし得る。４つの制御論理ダイを含む例示的実施形態では、移行領域３１０は、カテーテル直径の約１〜１．５倍であり、正方形から実質的に円に移行する。これは、３Ｆｒカテーテルに関しては、１０００〜１５００μｍの間になる。対照的に、９つの制御論理ダイを含む例示的実施形態では、移行領域３１０は、カテーテル直径の約０．５〜０．７５倍であり、又は３Ｆｒカテーテルに関しては５００〜７５０μｍの間である。スキャナアセンブリ１０６（移行領域３１０を含む）は、典型的には、デバイスの周囲部分に比べて非可撓性又は剛性であるので、移行領域３１０の長さの短縮により、複雑な脈管分枝を通した操縦が可能であり且つ患者にあまり不快感を与えないことが可能なより機敏性のＩＶＵＳデバイスが得られる。
スキャナアセンブリのサイズを縮小するための別の技法は、丸め可能な半導体基板上にトランスデューサ及び／又は制御回路を製造することを含む。これは、前の実施例の平坦なトランスデューサ３１２及び制御論理ダイ３０６によって引き起こされる不定形状を減少し、スキャナアセンブリの長手方向長さと直径との両方を減少し得る。図７は、本開示の一実施形態による丸め可能な半導体基板を組み込む超音波スキャナアセンブリ７００の上面図である。図７は、超音波スキャナアセンブリ７００をその平坦な形態で示す。多くの点で、超音波スキャナアセンブリ７００は、図３〜図６のスキャナアセンブリ１０６と実質的に同様でよく、トランスデューサアレイ７０２を含んでいてよく、トランスデューサアレイ７０２は、トランスデューサ領域７０４に形成された任意の数及びタイプの超音波トランスデューサ７０３を含む。例示的実施形態では、トランスデューサアレイ７０２は、６４個のＣＭＵＴトランスデューサ７０３を含む。また、超音波スキャナアセンブリ７００は、制御領域７０８に形成された制御論理回路７０６も含んでいてよく、移行領域７１０が間に設けられる。また、超音波スキャナアセンブリ７００は、ＰＩＭ１０８等、ＩＶＵＳシステムの他の構成要素と通信するために、スキャナアセンブリ７００をケーブル１１４に結合するためのコンタクトパッド７１２を含んでいてもよい。しかし、例えば図３のトランスデューサ３１２及び制御論理ダイ３０６は剛性基板上に形成されるが、この実施形態のトランスデューサアレイ７０２及び制御回路７０６は、丸め可能な基板７１４上に形成される。従って、スキャナアセンブリ７００の要素は、矢印７１６によって示されるように湾曲した形にされ得て、平坦な構成要素をほぼ円形のプロファイルに整えるのに関わる課題の多くが回避される。その結果、トランスデューサ領域７０４及び制御領域７０８は、図８及び図９のコンテキストでより詳細に示されるように、丸められた構成で、より円形の断面形状を有する。
更に、以下でより詳細に論じる理由から、スキャナアセンブリ７００の全体のサイズが縮小され得る。簡潔には、ディスクリートダイ間の隙間をなくすことによって、スキャナアセンブリの直径（及びそれに対応して円周及び標準寸法）が減少され得る。更に、制御領域７０８とトランスデューサ領域７０４とのプロファイルが同様であるので、より短い移行領域７１０が利用され得て、それにより、スキャナアセンブリ７００の長手方向長さを短縮する。制御領域７０８とトランスデューサ領域７０４とのプロファイルの間で移行するために移行領域７１０が使用されない実施形態では、より短い移行領域７１０が、ダイシング中の犠牲領域として依然として有用であり得る。例示的実施形態では、制御領域７０８は、Ｙ方向で約１．５ｍｍであり、移行領域７１０は、Ｙ方向で約１ｍｍであり、トランスデューサ領域７０４は、Ｙ方向で約０．７５ｍｍ〜０．５ｍｍの間である。
図８は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ７００の制御領域７０８の断面図である。制御領域７０８は、その丸められた形態で示されており、丸め可能な半導体基板７１４上に形成された制御回路７０６を含む。見て分かるように、半導体基板７１４は、円筒形状、より具体的には円環形状を形成するように撓められる。制御領域７０８の得られる断面プロファイルは、他の実施例で見られる平坦な領域なしで、実質的に円形である。平坦なダイによって引き起こされるダイと突出部との間の隙間空間をなくすことによって、制御回路７０６は、より高密度にパッケージングされ得る。ダイは、製造中にダイを分離するために確保された領域（スクライブライン）をしばしば含むので、単一の丸め可能な基板７１４を使用することによってデバイス密度が更に改良され得る。同様に、ダイは、絶縁体、パッド、及び他のバルクもしばしば含み、これらは、丸め可能な基板７１４の使用によって省略され得る。
更に、制御回路７０６の量は、ディスクリートダイを利用する実施形態と比べたときに減少され得る。例えば、ダイにわたる制御回路７０６の区画化は、しばしば複製機能を含む。制御回路７０６が残る実施形態では、この複製論理が回避され得る。更に別の例として、ダイにわたる制御回路７０６の区画化は、ダイ間で信号を伝送、同期、及び増幅するために、大きく且つ低電力消費のＩ／Ｏ回路を追加することをしばしば含む。これも、制御回路７０６が半導体基板７１４上に残る実施形態では回避され得る。更に、エコーデータ等、ダイ間でのアナログ信号の伝送が、ノイズをもたらし得る。これら及び他の理由から、フレキシブル基板７１４を組み込む制御領域７０８は、他の構成よりも小さく、効率的であり得て、より大きい撮像忠実度を提供し得る。特に、制御領域７０８は、より小さい直径８０４を有していてよく、３Ｆｒよりも小さい対応する標準寸法を有していてよい。
前の実施例とは対照的に、基板７１４を丸めることによって、基板７１４上に形成されたデバイス（即ち制御回路７０６のトランジスタ）は湾曲され、円筒形構成に再構成される。これを考慮に入れるために、デバイスは、丸められたときの応力及び亀裂の可能性を減少するように基板７１４上で向きを定められ得る。例えば、デバイスは、丸められた形態で基板７１４の長手方向軸に沿ってゲート幅方向が延びるように位置合わせされ得る。幾つかの実施形態では、制御回路７０６の能動領域及びゲート構造は、丸められた形態のときに基板７１４の外面に配置され、他の実施形態では、能動領域及びゲート構造は、丸められた形態のときに基板の内面に配置される。
図示される実施形態では、制御領域７０８は、丸め可能な半導体基板７１４を絶縁するため、及びスキャナアセンブリ７００を環境から保護するために使用される外側ジャケット８０２を含む。外側ジャケット８０２用の絶縁体材料は、それらの生体適合性、耐久性、親水性又は疎水性、低摩擦性、超音波透過性、及び／又は他の適切な基準に関して選択され得る。様々な実施形態において、外側ジャケット８０２は、KAPTON（商標）、ポリエステルフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエチレンナフタレンフィルム、及び／又はUpilex（登録商標）を含む。更なる実施形態では、外側ジャケット８０２は、Parylene（商標）、ポリエステル又はＰＶＤＦ等の熱収縮チューブ、Pebax（登録商標）（Arkemaの登録商標）又はポリエチレン等の溶融成形可能な層、及び／又は他の適切な膜材料を含む。幾つかの実施形態では、外側ジャケット８０２は、ポリイミド又は液晶ポリマーベースのフレキシブル回路等、フレキシブル回路を含む。フレキシブル回路は、焼ばめ又は他のジャケット材料によって更に被覆され得る。ポリエステル及び／又はPebax（登録商標）を含めた多様な適切な焼ばめ材料が存在する。例示的実施形態では、外側ジャケット８０２の層は、適切な厚さ及び音響インピーダンスを有するように形成されて、超音波信号用のマッチング層として働く。マッチング層は、典型的には、超音波トランスデューサと周囲の血管との間の音響インピーダンスを有し、より少ない反射によって、より滑らかな音響的遷移を提供する。
幾つかの例では、制御領域７０８は、フェルール４０６の周りに形成され、半導体基板７１４とフェルール４０６との間の空間を充填するカプセル化エポキシ４１０を含む。フェルール４０６内部の管腔領域４０８は、スキャナアセンブリ７００がガイドワイヤ（図示せず）に被さって前進されるように開いている。フェルール４０６は、手順中にスキャナアセンブリ７００を可視化する助けとなるように放射線不透過性材料を含んでいてよい。
図９は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ７００のトランスデューサ領域７０４の断面図である。トランスデューサ領域７０４は、その丸められた形態で示され、丸め可能な半導体基板７１４に形成されたトランスデューサアレイ７０２を含む。トランスデューサアレイ７０２は、任意の数及びタイプの超音波トランスデューサ７０３を含み、例示的実施形態では、６４個のＣＭＵＴトランスデューサを含む。制御領域７０８と同様に、半導体基板７１４は、円筒形状又は円環形状を形成するように湾曲され、トランスデューサ領域７０４の得られる断面プロファイルは実質的に円形である。制御領域７０８と同様に、トランスデューサアレイ７０２のトランスデューサは湾曲されて、円筒形構成を取る。例示的実施形態では、トランスデューサアレイ７０２のトランスデューサは、丸められた形態のときに、基板７１４の外面に配置される。
図１０は、本開示の一実施形態による、丸められた形態で示される超音波スキャナアセンブリ７００の一部分の長手方向斜視図である。スキャナアセンブリ７００は、トランスデューサ領域７０４と制御領域７０８との間に位置された移行領域７１０を含む。見て分かるように、トランスデューサ領域７０４と制御領域７０８との断面プロファイルは同様であり、従って、前の実施例に比べて、移行領域７１０は長手方向でより短いことがある。上で論じたものを含めた様々な理由から、丸められたスキャナアセンブリ７００の標準寸法又は厚さは、他の構成のものよりも小さくなり得る。例えば、様々な実施形態において、スキャナアセンブリ７００は２〜３Ｆｒの間であり、特定の実施形態では、スキャナアセンブリ７００は約２Ｆｒである。
図１１〜図１７を参照して、丸め可能な半導体基板７１４を組み込む超音波スキャナアセンブリ７００を形成する方法を述べる。図１１は、本開示の一実施形態による超音波スキャナアセンブリ７００を製造する方法１１００の流れ図である。方法１１００のステップの前、途中、及び後に追加のステップが提供され得ること、並びに、説明するステップの幾つかが、方法の他の実施形態に関しては置換又は省略され得ることを理解されたい。図１２〜図１６は、本開示の一実施形態による方法によって製造されるスキャナアセンブリ７００の断面図である。図１２〜図１６はそれぞれ、制御領域７０８に製造されているトランスデューサ制御回路７０６と、トランスデューサ領域７０４に製造されているトランスデューサアレイ７０２とを示す。図１７は、本開示の一実施形態による製造方法を施されたウェハ上に形成されたスキャナアセンブリ７００の上面図である。
図１１及び図１２のブロック１１０２を参照すると、半導体基板７１４が受け取られる。基板７１４は、トランスデューサ制御回路７０６を製造するために使用されるもの等、材料、パターンフィーチャ、及び／又は集積回路の層を生成するために上で処理が行われる任意のベース材料でよい。半導体基板の例は、バルクシリコン基板、シリコン又はゲルマニウム基板等の元素半導体基板、シリコンゲルマニウム基板等の化合物半導体基板、合金半導体基板、及びガラスや水晶等の非半導体材料を含む基板を含む。
図１１のブロック１１０４を参照し、引き続き図１２を参照すると、制御回路７０６のトランジスタは、制御領域７０８内の基板７１４上に形成される。トランジスタを形成するための例示的なプロセスは、基板の上でのパッド酸化物層の成長、化学気相成長による窒化物層の堆積、トレンチを形成するための反応性イオンエッチングの実施、シャロートレンチ絶縁フィーチャ酸化物の成長、化学機械的平坦化、チャネル注入、ゲート酸化物の形成、多結晶シリコン堆積、ゲート構造を形成するためのエッチング、ソース−ドレイン注入、側壁スペーサの形成、自己整合ケイ化物プロセスの実施、１つ又は複数の相互接続層の形成、パッド層の形成、及び／又は当業者に知られている他の製造プロセスを含む。幾つかの例では、制御回路７０６を形成するためのプロセスは、ゲート構造１２０２と、シャロートレンチ絶縁フィーチャ１２０４と、導電性相互接続線１２０６と、絶縁体層１２０８とを形成する。
図１１のブロック１１０６及び図１３〜図１５を参照すると、トランスデューサアレイ７０２の１つ又は複数のトランスデューサが基板７１４上に形成される。本開示は、任意の特定のトランスデューサ技術に限定されず、図示される実施形態はＣＭＵＴトランスデューサを含むが、他の実施形態は、薄膜ＰＺＴトランスデューサ、ＰＭＵＴトランスデューサ、及び／又は他のトランスデューサタイプを組み込む。図１３を参照すると、一例では、ブロック１１０６で、誘電体層１３０２を基板７１４上に堆積し、ポリシリコン層等の犠牲層１３０４を誘電体層１３０２上に堆積して、共鳴腔として作用するＣＭＵＴ真空ギャップを画定することによって、ＣＭＵＴトランスデューサが形成される。図１４を参照すると、更なる誘電体材料１４０２が犠牲層１３０４の上に堆積され、誘電体材料１４０２には穴が形成されて、犠牲層１３０４がエッチングされるようにする。図１５を参照すると、誘電体の下から犠牲層１３０４がエッチング除去され、更なる誘電体材料１４０２で穴が充填される。これは、真空中で実施され得て、それにより、残りのキャビティは、層１３０２及び材料１４０２の誘電体形成体内の真空ギャップ１５０２である。
真空ギャップ１５０２の上の材料は、ダイアフラム１５０４又はドラムヘッドと呼ばれ、真空ギャップ１５０２内に自由に撓むことができる。電極１５０６は、真空ギャップの上方に形成され、基板７１４の導電性領域と共に平行板コンデンサを形成する。超音波によって引き起こされる撓み等、真空ギャップ内へのダイアフラム１５０４及び電極１５０６の撓みは、コンデンサの電気的挙動を変化させる。これらの変化は、変化を引き起こした波の特性を決定するために測定され得る。次いで、１つ又は複数の相互接続線層１２０６及び／又はパッシベーション層１２０８が、電極１５０６の上に形成され得る。
図１１のブロック１１０８及び図１５を参照すると、図８に示される外側ジャケット８０２等のポリマーコーティングが、基板７１４上に形成され得て、制御回路７０６及びトランスデューサアレイ７０２を絶縁する。追加として又は代替として、外側ジャケット８０２は、以下に述べるブロック１１１６での最終組立て中に、基板７１４を丸めた後に基板７１４に被せて形成され得る。
図１１のブロック１１１０及び図１６を参照すると、基板７１４が丸め可能にされる。即ち、仕上がった基板７１４は、丸められるのに十分な可撓性を有し得るが、その初期形態での基板７１４は、トランスデューサアレイ７０２及び制御回路７０６をより容易に製造できるように剛性でよい。幾つかの実施形態では、基板７１４は、薄層化プロセスを行うことによって丸め可能にされる。例えば、幾つかの実施形態では、約１０μｍ以下の厚さまでの基板７１４の薄層化により、丸められるのに十分な可撓性を有する基板７１４が得られる。適切な薄層化プロセスは、基板７１４の機械的研削、湿式又は乾式エッチング、化学機械的研磨、破砕、及び／又はその他の薄層化を含む。一実施形態では、ウェハ薄層化プロセスは、基板７１４の機械的研削を含む。機械的研削は、基板材料を除去するために研磨力を使用する。別の実施形態では、ウェハ薄層化プロセスは、化学機械的研磨（ＣＭＰ：chemical-mechanical polishing）を含む。例示的なＣＭＰプロセスでは、研磨パッドは、回転プラテン上に設置される。ＮＨ４ＯＨ等の反応性化合物、及び／又はシリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、及びセリア（ＣｅＯ２）等の研磨粒子のスラリが、研磨パッド上に定量供給される。プラテンとＣＭＰチャックとの両方が回転するときに、ＣＭＰチャックに固定された基板７１４は、研磨パッドに対して付勢される。スラリ中の反応物は、基板７１４の表面での原子結合を緩め、機械的な研磨が、緩まった材料を除去する。ＣＭＰは、典型的には、純粋に機械的な研削よりも遅いが、基板７１４に対する損傷がより少ない。
幾つかの実施形態では、基板７１４は、基板７１４の薄層化を制御するために１つ又は複数の埋込層を含む。例えば、一実施形態では、基板７１４は、機械的研削プロセス中にストップ層として作用する誘電体層を含む。更なる実施例では、基板７１４は、化学的エッチングプロセス中にエッチングストップ層として作用する埋込誘電体層（例えば埋込酸化物層）を含む。更なる実施例では、基板７１４は劈開層を含み、劈開層は、機械的な分離プロセス中に基板７１４の残りの部分から離れる。
図１１のブロック１１１２及び図１７を参照すると、スキャナアセンブリ７００のトランスデューサアレイ７０２及び制御回路７０６は、ウェハ１７０２から単体化される。見て分かるように、複数のスキャナアセンブリ７００が単一のウェハ１７０２上に形成され得る。例えば、それぞれ１０ｍｍ２の約２０００個のスキャナアセンブリ７００が、単一の８インチウェハ１７０２上に形成され得る。丸められる前に、スキャナアセンブリ７００は、ソーダイシング、機械的切断、レーザ切断、物理的な力、及び／又は他の適切な単体化技術を含むことがある技法を使用して分離される。
図１１のブロック１１１４を参照すると、スキャナアセンブリ７００は、図８〜図１０に示されるように、実質的に円筒形状を有するように丸められる。丸めプロセスが、制御回路７０６のトランジスタ、及びトランスデューサアレイ７０２のトランスデューサ７０３を湾曲するので、平坦な領域及び他の不定形状が減少される。幾つかの実施形態では、丸めは、スキャナアセンブリ７００が実質的に円筒形状に形作られる前に保定構造４１６を適用することを含む。
図１１のブロック１１１６を参照すると、スキャナアセンブリ７００が、最終的な組立てのための仕上げ施設に提供され、最終的な組立ては、カプセル化エポキシ４１０を塗布すること、ケーブル１１４を取り付けること、及び／又はスキャナアセンブリ７００を封止することを含んでいてよい。従って、方法１１００での丸め可能な半導体基板７１４の使用は、小さな構成要素をダイシングし、それらを可撓性の相互接続線に結合することに関連付けられる複雑さ及び歩留まり損失をなくす。その結果、この製造技法は、組立てを単純にし、組立て時間を短縮し、歩留まりとデバイス信頼性との両方を改良する。
上で開示したように、スキャナアセンブリ７００は、図１６に示されるＣＭＵＴトランスデューサ７０３を含めた任意の適切な超音波トランスデューサ技術を組み込み得る。適切なトランスデューサ７０３は、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９、及び図２０に更に詳細に示されている。図１８Ａ及び図１８Ｂは、本開示の一実施形態によるトランスデューサアレイ７０２の一部分の上面図である。図１８Ｂは、その部分の拡大図である。図１９は、本開示の一実施形態によるＣＭＵＴ要素１９０２のアレイを組み込むトランスデューサ７０３の一部分の断面図である。図２０は、本開示の一実施形態による圧電要素２００２のアレイを組み込むトランスデューサ７０３の一部分の断面図である。
まず、図１８Ａ及び図１８Ｂを参照すると、図示される実施形態では、トランスデューサアレイ７０２の各トランスデューサ７０３が、トランスデューサ要素１８０２のアレイを含む。各要素１８０２はそれ自体、ダイアフラム１５０４（即ちドラムヘッド）を振動させることによって波形を生成するように、及び受信された波形に応答して電気信号を生成するように動作可能なトランスデューサである。その点で、各要素１８０２は、ダイアフラム１５０４、真空ギャップ１５０２等のチャンバ、関連の電極１５０６、及び／又は任意の他の補助構造を含んでいてよい。各要素１８０２の変位が限られているので、各トランスデューサ７０３は、実効表面積を増加するために、並列に電気接続された複数の要素１８０２を含んでいてよい。例えば、複数のダイアフラム１５０４の電極１５０６が、共通の相互接続線（例えば相互接続線１２０６Ａ及び１２０６Ｂ）によって接続され得る。このようにして、トランスデューサ７０３は、より薄い基板７１４、及びそれに対応してより浅い真空ギャップを補償することができる。図示される実施形態では、各ダイアフラム１５０４は、実質的に円形であり、約１０μｍの直径を有するが、更なる実施形態では、トランスデューサ７０３が他のサイズ及び形状のダイアフラム１５０４を含むことを理解されたい。見易くするために、要素１８０２の数を減らしてある。各トランスデューサ７０３は任意の数の要素１８０２を含んでいてよいが、例示的実施形態では、各トランスデューサ７０３が約１００個の要素を含む。
大きな実効表面積を提供することに加えて、要素１８０２のアレイは、一斉に動作する要素１８０２の数を調節することによって、複数の周波数に同調され得る。また、アレイは、要素１８０２のファイアリングシーケンスを調節することによって、特殊な波形を生成することもできる。従って、幾つかの実施形態では、トランスデューサ７０３の要素１８０２は、（破線のボックス１８０４によって示される）グループとして配置される。各グループの要素１８０２は、並列に電気接続され、従って一斉に動作するが、それらのグループは、個別に制御又はアドレス指定され得て、幾つかの異なる特性周波数で幾つかの異なる超音波波形を生成する。従って、単一のトランスデューサ７０３が複数の撮像モードをサポートすることができ、コモンモードは、２０ＭＨｚモード及び４０ＭＨｚモードの両方を含む。
次に図１９を参照すると、トランスデューサ７０３の一部分が示されている。この実施形態では、トランスデューサ７０２は、ＣＭＵＴトランスデューサ要素１９０２を含む。図示される３つの要素はそれぞれ、基板７１４上に形成された誘電体層１３０２によって画定された真空ギャップ１５０２と、真空ギャップ１５０２の上方に形成されたダイアフラム１５０４と、ダイアフラムの上方に形成された電極１５０６と、ダイアフラム１５０４を他のダイアフラム１５０４及び制御回路（図示せず）に電気的に結合する相互接続線１２０６とを含む。
見て分かるように、ＣＭＵＴトランスデューサ要素１９０２は、それらの全体的なプロファイルがかなり薄くなり得るので、丸め可能な基板７１４に良く適している。例えば、一実施形態では、ダイアフラム１５０４と、真空ギャップ１５０２と、基板７１４との合計の厚さ１９０４は、１０μｍ未満又は実質的に１０μｍである。この実施形態では、ダイアフラム１５０４は、約１μｍの厚さを有し、真空ギャップ１５０２は、約０．１μｍの厚さを有する。
図２０を参照すると、圧電トランスデューサ要素２００２を含む別のトランスデューサ７０２の一部分が示されている。圧電要素２００２は、上述したＣＭＵＴ要素１９０２の適切な代用要素であり、トランスデューサ７０３を形成するためにアレイとして配置されるとき、図１８Ａ及び図１８Ｂのものと実質的に同様の上面図を有し得る。
断面で見たとき、圧電要素２００２はそれぞれ、基板７１４に形成されたチャンバ２００４を含む。圧電薄膜２００６が、チャンバ２００４の上方に形成される。
ＣＭＵＴダイアフラム１５０４と同様に、圧電要素２００２はかなり薄いことがある。例えば、一実施形態では、圧電薄膜２００６と、チャンバ２００４を含む基板７１４との合計の厚さ２００８は、約５μｍ〜約１０μｍの間の合計の厚さを有し、圧電薄膜２００６が、約１μｍ〜約２μｍの間の厚さを有する。
複数の要素を並列に接続することによって、図１９及び図２０の実施形態は、個々のダイアフラムサイズよりもはるかに大きい実効要素サイズを提供する。これは、トランスデューサが、送信時にはよりパワフルな超音波信号を提供することを可能にし、受信時にはより強い電気信号を生成できるようにする。更に、トランスデューサの動作周波数は、並列に動作する要素の数を調節することによって同調され得る。その結果、より小さいパッケージでより高感度のトランスデューサが得られる。
従って、本開示は、より小さく且つより一様であるように設計されたスキャナアセンブリを備える改良されたＩＶＵＳデバイスを提供し、また、歩留まりを改良すると共に製造の複雑さを低減する、スキャナアセンブリを製造するための方法を提供する。
上述した装置、システム、及び方法が様々なやり方で修正され得ることを当業者は理解されよう。従って、本開示によって包含される実施形態が、上述した特定の例示的実施形態に限定されないことを当業者は理解されよう。その点で、例示的実施形態を図示して説明してきたが、広範囲の修正、変更、及び置換が上記の開示で企図される。本開示の範囲から逸脱することなく、上記のことにそのような変更が成され得ることを理解されたい。従って、添付の特許請求の範囲は、広範に、且つ本開示と整合性があるように解釈されることが適当である。

Claims (15)

  1. 可撓性の細長い部材と、
    前記可撓性の細長い部材の遠位部分に配設された超音波スキャナアセンブリと
    を備える超音波撮像デバイスであって、前記超音波スキャナアセンブリは、
    半導体基板上に形成された、制御回路の複数のトランジスタと、
    前記半導体基板上に形成され、前記制御回路に電気的に結合された複数の超音波トランスデューサと
    を有する当該半導体基板を含み、
    前記超音波スキャナアセンブリが丸められた形態であるときに、前記半導体基板が、実質的に円筒形状を有するように湾曲され、
    前記超音波スキャナアセンブリが前記丸められた形態であるときに、前記複数のトランジスタ及び前記複数の超音波トランスデューサが円筒形構成で構成される、
    超音波撮像デバイス。
  2. 前記複数の超音波トランスデューサの各トランスデューサが、並列に電気接続された複数のトランスデューサ要素を含む、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  3. 前記複数のトランスデューサ要素がＣＭＵＴトランスデューサ要素を含む、請求項２に記載の超音波撮像デバイス。
  4. 前記複数のトランスデューサ要素が薄膜圧電トランスデューサ要素を含む、請求項２に記載の超音波撮像デバイス。
  5. 前記複数の超音波トランスデューサの各トランスデューサが、少なくとも２グループのトランスデューサ要素を含み、前記少なくとも２グループのトランスデューサ要素が、前記制御回路によって個別にアドレス指定可能である、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  6. 前記半導体基板が、元素半導体基板及び化合物半導体基板の１つを含み、前記超音波スキャナアセンブリが前記丸められた形態であるときに、前記元素半導体基板及び前記化合物半導体基板の前記１つが円筒形状を有するように湾曲される、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  7. 前記複数のトランジスタ及び前記複数の超音波トランスデューサの上に形成された絶縁層を更に備え、それにより、前記超音波スキャナアセンブリが前記丸められた形態であるときに、前記絶縁層が、前記複数のトランジスタ及び前記複数の超音波トランスデューサの外側である、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  8. 前記超音波スキャナアセンブリが、前記丸められた形態であるときに前記半導体基板の前記円筒形状内に配設されるフェルールを更に含む、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  9. 前記フェルールが、ガイドワイヤを通る内腔を含む、請求項８に記載の超音波撮像デバイス。
  10. 丸め可能な前記半導体基板が、１０μｍ未満又は実質的に１０μｍの厚さを有する、請求項１に記載の超音波撮像デバイス。
  11. 超音波撮像デバイスを製造する方法であって、
    半導体基板を受け取るステップと、
    トランジスタを前記半導体基板上に形成するステップと、
    超音波トランスデューサを前記半導体基板上に形成するステップと、
    前記トランジスタを有する前記半導体基板と、前記半導体基板上に形成された前記超音波トランスデューサとを、実質的に円筒形状を有するように丸めるステップとを含む、
    方法。
  12. 前記半導体基板を１０μｍ未満又は実質的に１０μｍの厚さに薄層化するステップを含む、前記半導体基板を丸める前記ステップの前に、前記半導体基板を剛性の状態から丸め可能な状態に変えるためのプロセスを実施するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記半導体基板を薄層化する前記ステップが、研削と化学機械的研磨プロセスとの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記半導体基板を薄層化する前記ステップが、化学的研磨プロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記半導体基板を薄層化する前記ステップが、前記半導体基板の埋込層を利用して、薄層化された前記半導体基板の厚さを制御する、請求項１２に記載の方法。
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