JP7216550B2 - 広帯域超音波トランスジューサ - Google Patents

Description

本発明は、各々が基板により支持された第１電極と膜体により支持された第２電極とを備えた複数のＣＭＵＴセルを有するトランスジューサアレイであって、前記膜体が第１電極と第２電極との間の空洞上に懸架され、前記複数のＣＭＵＴセルが第１グループのＣＭＵＴセルと該第１グループのＣＭＵＴセルとは異なる第２グループのＣＭＵＴセルとを有するトランスジューサアレイに関する。

本発明は、更に、このようなトランスジューサアレイを有する装置にも関する。

本発明は、更に、このようなトランスジューサアレイを有する超音波撮像システムにも関する。

本発明は、更に、このような超音波撮像システムを動作させる方法にも関する。

医療撮像のために使用される超音波トランスジューサは、高品質診断画像の生成につながる数々の特性を有している。これらのうちのものは、広帯域幅、影響のある解像度及び超音波周波数における低レベル音響信号に対する高感度（圧力出力と組み合わさって、被写界深度に影響する）である。従来、これらの特性を有する圧電材料はＰＺＴ及びＰＶＤＦ材料から形成されており、ＰＺＴは好適な材料として人気がある。しかしながら、ＰＺＴは数々の目立った欠点を被る。第１に、セラミックＰＺＴ材料は、ダイシング、整合層接着、充填物、電気メッキ及び相互接続を含む製造工程を必要とし、これらは極めて異なると共に複雑であって広範囲な処理を要し、これらは全て望まれるより低いトランスジューサ積層ユニットの歩留まりとなり得る。この製造の複雑さは、最終的トランスジューサプローブのコストを上昇させると共に、素子間の最小間隔及び個々の素子の寸法に対して設計的制限を課す。更に、ＰＺＴ材料は水又は生物組織に対して劣った整合性のインピーダンスを有し、かくして、関心媒体との所望の音響インピーダンス整合を得るために当該ＰＺＴ材料には整合層が追加されねばならない。

超音波システムのメインフレームが、一層小さくなり、殆どの信号処理のためのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）により支配されるにつれて、システムメインフレームのコストはシステムのサイズに伴い低下した。超音波システムは、今や、例えば超音波診断撮像システムとして又は特定の（組織）異常が高エネルギ超音波パルスを用いて焼灼される超音波治療システムとして使用するための安価な携帯型、卓上型及び手持ち型の形態で利用可能である。結果として、トランスジューサプローブのコストは、システムの全体的コストの益々増加する割合、例えば超音波診断撮像システムの場合には３Ｄ撮像のために使用される高素子数アレイの出現により加速された増加となっている。電子的ステアリングによる超音波３Ｄ撮像のために使用されるプローブは、トランスジューサ素子の二次元（２Ｄ）アレイのためのマイクロビーム形成を実行する特化された半導体装置特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に依存する。従って、低価格超音波システムに対する需要を促進するために改善された歩留まりで且つ低コストで、そして好ましくは半導体製造と互換性のある製造工程によりトランスジューサアレイを製造することができることが望ましい。

近年の進展の結果、超音波トランスジューサを半導体工程によりバッチ製造することができる見通しが立った。望ましくは、これらの工程は、ＣＭＯＳ工程等の超音波プローブにより必要とされるＡＳＩＣ回路を製造するために使用されるものと同一のものとすべきである。これらの進展は、好ましい形態は容量型ＭＵＴ（ＣＭＵＴ）である微細加工超音波トランスジューサ又はＭＵＴを製造するに到った。ＣＭＵＴは、受信される超音波信号の音響振動を変調された容量に変換する電極を備えた小型のダイヤフラム状装置である。送信のために、電極に供給される容量電荷は当該装置のダイヤフラムを振動／移動させるために変調され、これにより超音波を送信する。これらのダイヤフラムは半導体工程により製造されるので、当該装置は一般的に１０～５００マイクロメートル範囲内の寸法を有し、個々のダイヤフラム間の間隔は数マイクロメートル未満である。多数の斯様な個別のＣＭＵＴは一緒に接続され、単一のトランスジューサ素子として一体的に動作され得る。例えば、４～１６個のＣＭＵＴを、単一のトランスジューサ素子として一体的に機能するように一緒に結合することができる。典型的な２Ｄトランスジューサアレイは、２０００～３０００のＣＭＵＴトランスジューサ素子を有し得る。

従って、ＣＭＵＴ型超音波システムの製造はＰＺＴ型システムと比較して一層費用効果的である。更に、このような半導体工程に使用される材料により、ＣＭＵＴトランスジューサは水及び生物組織に対して大幅に改善された音響インピーダンス整合を示し、このことは整合層の必要性をなくすと共に、改善された有効帯域幅を生じる。

効果的な超音波システム、特にＣＭＵＴトランスジューサ型超音波システムを開発する際の主たる困難さの１つは、超音波診断撮像システムの場合においてシステムに優れた解像度及び良好な被写界深度を備えさせることである。これらは対立する要件である。より高い周波数のパルス状超音波は改善された解像度につながるが、媒体の周波数依存性減衰により一層短い被写界深度につながるからである。深さにおける高解像度を得るためには、大きな帯域幅を要する高い圧力の短いパルスが望ましい。原理的にＣＭＵＴトランスジューサは広い周波数スペクトルを発生することができるが、効率的に動作する周波数は当該ＣＭＵＴに対して印加される静バイアス電圧に強く依存するので帯域幅は限定される。アレイ内のＣＭＵＴセルを該アレイが異なるバネ定数を持つ複数グループのＣＭＵＴを有するように差別化することによりＣＭＵＴ型超音波トランスジューサアレイの動作帯域幅を増加させる努力がなされた。例えば、米国特許第5,870,351号は、超音波トランスジューサの周波数応答を広げるために異なる寸法（直径）及び／又は形状の複数の共振膜を含む広帯域微細加工超音波トランスジューサを開示している。

米国特許出願公開第2014/0010388号は、広帯域周波数特性を有する容量型トランスジューサを開示している。該容量型トランスジューサは複数の種類のセルを有するエレメントを含み、各セルは第１電極と、該第１電極に対しギャップを伴って対向された第２電極を含む振動薄膜と、前記ギャップを形成するように該振動薄膜を支持する支持部とを含む。該複数種類のセルは、前記振動薄膜の法線方向から見た場合に前記ギャップの面積に対する第１電極及び第２電極の一方の面積の異なる比を有している。更に、これらセルの幾つかのバネ定数は、当該セルの振動薄膜（膜）上の追加の層により変化させることができる。

それ自体良く知られているように、ＣＭＵＴセルにより生成される音響パワー（出力圧）は当該ＣＭＵＴセルを所謂圧潰モード（collapse mode）で動作させることにより最適化することができ、該圧潰モードにおいてＣＭＵＴセルは、ギャップを介してダイヤフラム又は可撓膜の中央部分を対向する基板へと駆動するバイアス電圧により付勢されると共に、設定された周波数を持つ刺激が供給され、上記ダイヤフラム又は可撓膜を該設定された周波数において共振させる。このことは、例えば、Internet on 9 June 2015 from URL: http://kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/Downloads/11_Park_02.pdfから取り込まれる“Comparison of conventional and collapse-mode CMUT in 1-D array configuration”に、K.K. Park他により示されている。

しかしながら、ＣＭＵＴセルの寿命を守るために、セルの中央領域が対向する基板に接触した状態に維持されることが必須である。ＣＭＵＴセルが対向する基板上に倒れ込むバイアス電圧は当該セルのバネ定数に直に比例するので、トランスジューサアレイ内に大幅に異なるバネ定数を持つＣＭＵＴセルを有することは望ましくない。このことは、全ＣＭＵＴセルに単一のバイアス電圧が印加される圧潰モードにおいてＣＭＵＴセルの幾つかが対向する基板から一時的に自由になるようにさせ、これが、前述したように、早期のセル故障の危険性を増加させるからである。

本発明は、圧潰モードで動作される場合に優れた寿命及び広帯域特性を兼ね備えた複数のＣＭＵＴセルを有するトランスジューサアレイを提供しようとするものである。

本発明は、更に、このようなトランスジューサアレイを有する装置を提供しようとするものである。

本発明は、更に、このような装置及び／又はトランスジューサアレイを有する超音波撮像システムを提供しようとするものである。

本発明は、更に、このような超音波撮像システムを動作させる方法を提供しようとするものである。

一態様によれば、複数のＣＭＵＴセルを有するトランスジューサアレイが提供され、前記ＣＭＵＴセルの各々は基板により支持された第１電極及び膜体により支持された第２電極を有し、該膜体は前記第１電極と前記第２電極との間の空洞上に懸架され、前記複数のＣＭＵＴセルは、各々が第１積層部を備えた膜体を有する第１グループのＣＭＵＴセルと、各々が前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の層を含む第２積層部を備えた膜体を有する第２グループのＣＭＵＴセルとを有し、前記第１グループのＣＭＵＴセルの前記膜体は第１バネ定数を有する一方、前記第２グループのＣＭＵＴセルの前記膜体は前記第１バネ定数から２０％以下で相違する第２バネ定数を有する。本発明は、当該トランスジューサアレイの選択されたＣＭＵＴセルを相違させるために該選択されたＣＭＵＴセルに高密度の材料の（薄い）層を設けることを、該選択されたＣＭＵＴセルの膜体の質量を、これら膜体のバネ定数を著しく増加させることなく大幅に増加させるために用いることができるという洞察に基づいている。従って、当該トランスジューサアレイのＣＭＵＴセルは、第１グループ及び第２グループの各々の膜体の質量の差により、依然として略同一のバイアス電圧で圧潰することができ、それでいて、異なる共振周波数を示すことができ、これにより、圧潰モードにおいて安全に動作され得ると共に、全てのＣＭＵＴセルが同一の幾何学構造を有するＣＭＵＴトランスジューサアレイと比較して増加された帯域幅（即ち、広帯域特性）を示すトランスジューサアレイを生じさせる。このような理由で、前記材料は好ましくは前記第１積層部の層の何れの層の材料と比較しても一層低いヤング率も有するものとし、かくして、当該高密度材料が第２グループのＣＭＵＴセルの膜体の全体的曲げ剛性に対して最小限の貢献しか有さないようにする。例えば、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ前記材料は、７g/cm³を超える密度、好ましくは１０g/cm³を超える密度及び２００GPa未満のヤング率、好ましくは１００GPa未満のヤング率を有することができる。

好ましくは、前記第２バネ定数は前記第１バネ定数とは１０％以下で相違するものとし、当該トランスジューサアレイの全ＣＭＵＴセルが略同一のバイアス電圧で圧潰モードに入ることを保証する。幾つかの実施態様において、前記第１グループのＣＭＵＴセルの膜体のバネ定数は前記第２グループのＣＭＵＴセルの膜体のバネ定数と同一である。各膜体のバネ定数の調整は、前記材料を選択すると共に前記第１グループ及び第２グループの各々のＣＭＵＴセルの膜体における斯かる材料の層の厚さを調整することにより達成することができる。

例えば、前記第１積層部は誘電体材料の層を第１の厚さで有し、前記第２積層部は前記誘電体材料の層を前記第１の厚さより小さな第２の厚さで有する。前記第２の厚さは、前記第２積層部における前記第２の厚さの誘電体材料層と、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層の厚さとの組み合わせが、第２グループにおけるＣＭＵＴセルの膜体の全体のバネ定数に対して、前記第１の厚さの誘電体材料の層が前記第１グループのＣＭＵＴセルの膜体に対して達成するものと（略）同一の貢献をもたらすように選択することができる。

代わりに、前記第２積層部は、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層が追加の層であることを除き、前記第１積層部と同一とすることができる。この構成は、例えば第２グループのＣＭＵＴセルに対する高密度材料の層の選択的堆積による等の、特に容易なやり方で製造することができる超音波トランスジューサアレイをもたらす。

当該トランスジューサアレイは複数のトランスジューサ素子を有することができ、これらトランスジューサ素子の各々は前記第１グループの少なくとも１つのＣＭＵＴセル及び前記第２グループの少なくとも１つのＣＭＵＴセルを有する。

一実施態様において、前記第１グループのＣＭＵＴセルは、各々、第１直径を有し、前記第２グループのＣＭＵＴセルは、各々、前記第１直径とは異なる第２直径を有する。圧潰モードにおいて、ＣＭＵＴセルの共振周波数はセル直径とは非常に無関係となり、かくして、第２グループのＣＭＵＴセルに対する高密度材料層の追加は、異なる直径のＣＭＵＴセルを持つ圧潰モードで動作可能な超音波トランスジューサアレイにおいて広帯域特性を達成するための代替設計の自由度が生じる。

前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層は、連続した層又はパターン形成（パターニング）された層とすることができる。該層をパターニングすることは、該層が被着されるＣＭＵＴセルの膜体の質量を更に調整するために用いることができる。例えば、前記第２グループのＣＭＵＴセルは、ＣＭＵＴセルの膜体が高密度材料の連続した層を有する第１副グループ及びＣＭＵＴセルの膜体が該高密度材料のパターニングされた層を有する第２副グループを有することができる。このようにして、当該超音波トランスジューサアレイの周波数特性を一層微細に調整することができる。

一実施態様において、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層は金属層、好ましくは、金層又はプラチナ層である。それらの高い密度により、金属を用いることができ、該高い密度は、これら材料を高密度材料層として使用するのに特に適したものとさせる。本出願の前後関係において、金属なる用語は金属合金も含む。

特に有利な実施態様において、前記ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は千鳥状アレイに配列され、該千鳥状アレイは、少なくとも１つのシリコンアイランド上の第１列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子と、少なくとも１つの他のシリコンアイランド上の第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子であって、前記第１列と前記第２列とはギャップにより隔てられていて、前記第２列が前記第１列に対して前記第２列のセルが前記第１列の連続するセルの間の間隔に部分的に配置されるように千鳥配列されている、第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子と、前記各シリコンアイランドを保持すると共に、導電性相互接続部を有する可撓箔と、を有する。

このような列を千鳥配列することにより、或る列のセル又はトランスジューサ素子を隣接する列のセル又はトランスジューサ素子の間で分散配置することができ、ステアリングされない方向のピッチを必ずしも増加させることなく、両ステアリング方向において一層小さなアレイピッチをもたらす。当該アレイを湾曲したアレイ及びカテーテル用途のために曲げることを可能にするために、該アレイの素子は、アイランド当たり１つ又は数個のように少ないセル又はトランスジューサ素子のシリコンアイランド上に作製され、該アイランドは一体的な可撓箔オーバーレイにより結合され、該可撓箔オーバーレイはＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の連続した横向きアレイがアレイ領域の間の不連続性を伴わないで三次元主体（例えば、カテーテルシース等の円柱状主体）の周りに完全に巻き付けられることを容易にする。従って、このことは、ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の間の減少されたピッチにより、改善された画像品質及び低減されたグレーティングローブ等の画像アーチファクトの超音波画像の発生を容易にする。

前記第１グループのＣＭＵＴセル及び前記第２グループのＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は、各々、好ましくは前記千鳥状アレイにおいて一定のピッチで配列されて、当該トランスジューサアレイの性能を最適化する。

一実施態様において、前記第１列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は対向する（反対側に位置する）蛇行エッジを有する第１シリコンアイランドに配置され、これらエッジの各々は当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子のうちの１つの周りで外側に向かって蛇行すると共に当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の間の間隔へと内側に向かって蛇行し、前記第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は対向する蛇行エッジを有する第２シリコンアイランドに配置され、これらエッジの各々は当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子のうちの１つの周りで外側に向かって蛇行すると共に当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の間の間隔へと内側に向かって蛇行し、前記第１シリコンアイランドは前記第２シリコンアイランドに対し、前記第１シリコンアイランドの外側に向かって蛇行するエッジ部分が前記第２シリコンアイランドの内側に向かって蛇行するエッジ部分へ入り込むように隣接して配置される。

このようなアレイは、各シリコンアイランドが複数の（即ち、１列の）ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子を担持し、これらシリコンアイランドの形状がＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の千鳥状アレイを生じるために該シリコンアイランドの特別に密な充填を促進することによってもたらされる構造的完全さの利益を受ける。更に、上記シリコンアイランドはカテーテルの長さに沿って配置することができるという事実により、結果としてのトランスジューサアレイは、良好な構造的完全さに当該アレイの優れた可撓性を組み合わせるものとなる。

第１シリコンアイランド及び第２シリコンアイランドは、各々、間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の少なくとも１対の前記列を有することができ、該対における前記列は千鳥配列される。この構成は、当該アレイにおける別個のシリコンアイランドの数を制限する一方、各シリコンアイランドの限られた幅により当該アレイの優れた可撓性を依然として提供する。

当該超音波トランスジューサアレイの斯様なシリコンアイランドベースの実施態様は、更なる態様において、外部シースを有するカテーテルの一部を形成することができ、該ＣＭＵＴトランスジューサアレイは該外部シースの周りに該アレイの各列が該カテーテルの長さ方向に延びるように巻き付けられる。このようなカテーテルは、自身のシースの周りに巻き付けられた該ＣＭＵＴトランスジューサアレイの連続的性質により改善された撮像能力の利益を受ける。

斯かるカテーテルは、更に、該カテーテルの撮像能力を更に向上させるために、該カテーテルの遠端部に（例えば、該カテーテルの遠位先端に）他のＣＭＵＴトランスジューサアレイを有することができる。このようなカテーテルは、例えば、前記他のＣＭＵＴトランスジューサアレイによる前方視画像及び前記ＣＭＵＴトランスジューサアレイによる３６０°画像を発生することができる。

幾つかの実施態様において、前記カテーテルは心臓内カテーテル又は血管内カテーテルとすることができる。

代替実施態様において、前記トランスジューサアレイは、該ＣＭＵＴトランスジューサアレイを制御するように構成されたコントローラを更に含む装置の一部を形成することができる。該装置は、例えば、前記ＣＭＵＴトランスジューサアレイを有するプローブを含むことができる。該プローブは、例えば、針（ニードル）状プローブ、ＴＥＥ（経食道心エコー検査）プローブ又は診断超音波プローブ等とすることができる。

他の態様によれば、患者インターフェースモジュールと、本発明の前述した実施態様の何れかによるトランスジューサアレイ又はカテーテルとを有する超音波撮像システムが提供される。このような超音波撮像システムは、前記超音波トランスジューサアレイの該アレイの差別化されたＣＭＵＴセルにより提供される改善された広帯域特性の利益を受ける。

前記超音波撮像システムは、好ましくは、超音波送信モード及び超音波受信モードの少なくとも一方の間において前記ＣＭＵＴセルを圧潰モードで動作させるように構成された電源を更に有する。当該超音波トランスジューサアレイは、前述したような該超音波トランスジューサアレイ内の各ＣＭＵＴセル膜体の同程度のバネ定数（曲げ剛性）により斯様な圧潰モード動作に特に適している。

更に他の態様によれば、このような超音波撮像システムの作動方法が提供され、該方法は、前記超音波撮像システムの超音波送信モードの間において前記ＣＭＵＴセルに制御信号を供給するステップを有し、該制御信号は前記ＣＭＵＴセルを圧潰モードにさせるＤＣ成分及び該圧潰されたＣＭＵＴセルを共振させるＡＣ成分を有し、前記第１グループのＣＭＵＴセル及び前記第２グループのＣＭＵＴセルは異なる共振周波数において共振する。この作動方法は、当該超音波撮像システムが、前記アレイの寿命を著しく損なうことなく圧潰モードでの広帯域特性を達成することを確かのものとする。

本発明の実施態様は、添付図面を参照し、限定するものでない例示として後に更に詳細に説明される。

図１は、一実施態様による超音波トランスジューサアレイの上面図を概略的に示す。 図２は、一実施態様による超音波トランスジューサアレイの断面を概略的に示す。 図３は、一実施態様による超音波トランスジューサアレイの動作特性を示すグラフである。 図４は、ＣＭＵＴ膜体の高密度層を備える（右枠）及び備えない（左枠）ＣＭＵＴアレイの出力圧等高線図である。 図５は、他の実施態様による超音波トランスジューサアレイの一部の断面を概略的に示す。 図６は、他の実施態様による超音波トランスジューサアレイの上面図を概略的に示す。 図７は、更に他の実施態様による超音波トランスジューサアレイの上面図を概略的に示す。 図８は、このような超音波トランスジューサアレイのための例示的製造工程を概略的に示す。 図９は、一実施態様によるＣＭＵＴセルの行及び列の対称に配列されたＣＭＵＴアレイの平面図である。 図１０は、他の実施態様による、隣接する行及び列のセルが互いの間に分散された千鳥配列されたセルの行を備えて構成されたＣＭＵＴアレイの平面図である。 図１１は、一実施態様による隣接するセルのシリコンアイランドの可撓性相互接続部の製造におけるステップを示す。 図１２は、一実施態様による、隣接する千鳥配列された行のＣＭＵＴの単一の行のトランスジューサ素子としての動作を示す。 図１３は、円筒状の構造に巻かれた場合の図１２のＣＭＵＴアレイを示す。 図１４は、各セルが自身のシリコンアイランド上に配置されると共に可撓箔のオーバーレイが可撓性金属ブリッジにより結合された、本発明の一実施態様によるＣＭＵＴアレイの平面図である。 図１５は、複数のセルが各シリコンアイランド上に配置されると共に可撓箔のオーバーレイが可撓性金属ブリッジにより結合された、本発明の一実施態様によるＣＭＵＴアレイの平面図である。 図１６は、一実施態様による超音波撮像システムのブロック図である。

最初に、各図は概略的なのものに過ぎず、実寸通りには描かれていないと理解されるべきである。また、全図を通して同一の符号は同一又は同様の部分を示すために使用されていると理解されるべきである。

本出願の前後関係において、膜体が参照される場合、この膜体とは、容量型微細加工超音波トランスジューサ（ＣＭＵＴ）の基板上のギャップ又は空洞（キャビティ）に跨がると共に、当該ＣＭＵＴの電極の１つ（例えば、上記基板上の他の電極に対向すると共に該他の電極からギャップ又は空洞により分離された電極）を支持する（例えば、埋め込む）変形可能な構造体である。

本出願の前後関係において、膜状積層部が参照される場合、該膜状積層部とは、単一層から形成された膜体及び複数の層から形成された膜体は含むが、該膜体に埋め込まれる又は該膜体により支持される電極は除くことを意図するものである。

本出願の前後関係において、ＣＭＵＴ素子又はトランスジューサ素子が参照される場合、この素子は、単一のＣＭＵＴセル又は一体的に動作されるように構成された（例えば、単一の制御信号によりアドレス指定されるように構成された）一群のＣＭＵＴセルと等しいものであり得る。

図１は、一実施態様による超音波トランスジューサアレイ１０の上面図を概略的に示す。超音波トランスジューサアレイ１０は、第１グループのＣＭＵＴセル１００及び第２グループのＣＭＵＴセル１００’に分割される複数のＣＭＵＴセルを有し、この場合、これらＣＭＵＴセルは限定することのない例のみとして円形形状を有するものとして示されている。ＣＭＵＴセル１００，１００’に関しては他の形状も考えられる。セル１００，１００’は個別にアドレス指定されるように配置することができるが、好ましくは、各群のセルが一体的に（即ち、１つのトランスジューサ素子として）アドレス指定されるものとし、１つの群は両セル１００，１００’（好ましくは、等しい数のセル１００，１００’）を有して、各トランスジューサ素子が同じ広帯域特性を示すようにする（後に更に詳細に説明する）。超音波トランスジューサアレイ１０は、このようなトランスジューサ素子のアレイとすることができる。ＣＭＵＴセル１００，１００’は、当該超音波トランスジューサアレイ１０のセル密度を増加させるために、図１に示されるように千鳥状に配置することができる。単一の行におけるセル１００，１００’を、水平矢印により示されるように、群化することができる（例えば、単一の行アドレス信号によりアドレス指定することができる）。図２は、第１グループのＣＭＵＴセル１００及び第２グループのＣＭＵＴセル１００’の各々の断面を概略的に示している。各ＣＭＵＴセルは、基板１０１により支持された第１電極１１０と、該第１電極１１０に対向すると共に該第１電極から空洞（キャビティ）１０５により隔てられた第２電極１２０とを有している。

第１グループのＣＭＵＴセル１００において、第２電極１２０は第１積層部１３０を有する可撓膜により支持され、該積層部は例えば酸化シリコン、窒化シリコン等の電気的に絶縁性の又は誘電体の材料の第１層１３１及び第２層１３３を含む。幾つかの応用例（例えば、低周波数応用例）において、第１積層部１３０は１ミクロンを遙かに超える厚さ（例えば、５～２０ミクロンの厚さ）を有し得る。幾つかの他の応用例（例えば、高周波数応用例）において、第１積層部１３０は２ミクロン未満の厚さを有し得る。第２電極１２０は第１積層部１３０を有する可撓膜内に埋め込むことができ、かくして、例えば超音波トランスジューサアレイ１０のＣＭＵＴセル１００，１００’の圧潰モードにおける動作の間において前記可撓膜の中央領域が基板１０１に接触する際に、第１電極１１０と第２電極１２０との間の短絡を防止するために第２電極１２０が空洞１０５から誘電体材料の薄い層により隔てられるようにする。

第２グループのＣＭＵＴセル１００’において、第２電極１２０は第２積層部１３０’を有する可撓膜により支持され、該積層部は第１積層部１３０における層の何れよりも高い密度を有する材料の層１３５を含む。該質量層１３５は膜状積層部１３０’の曲げ剛性に大きな影響を与えることなく該膜状積層部１３０’の質量を増加させるために第２グループのＣＭＵＴセル１００’の膜状積層部１３０’内に存在するものである。上記曲げ剛性は、特にＣＭＵＴセル１００，１００’が当該膜体の中央部分が基板１０１上に永久的に倒れ込む一方、該膜体における該中央部分の周囲の周辺部分が当該超音波トランスジューサ１０の送信モードにおいて所望の周波数スペクトルを持つ超音波パルスを発生するように振動するか又は当該超音波トランスジューサ１０の受信モードにおいて受信される所望の周波数スペクトルを持つパルスエコーに応答して共振する圧潰モードにおいて動作される場合に当該ＣＭＵＴセル１００，１００’のバネ定数を主に定めることになる。このような圧潰モード動作自体は良く知られているので、簡略化のために、これ以上は詳細に説明しない。

円形のＣＭＵＴセル膜体の中心周波数Ｆ_ｃは、以下の式（１）により近似することができる：

この式において、Ｒは膜体の半径であり、ρは膜体の密度であり、Ｄは膜体の曲げ剛性（バネ定数）であり、ｔは膜体の厚みであり、ｘは比Ｒｃ／Ｒであり、ここで、Ｒ_ｃは基板１０１上に倒れ込む当該膜体の中央部分の半径である（膜体が圧潰でない場合、Ｒ_ｃ＝０）。この式から導き出されるように、膜体の共振周波数は曲げ剛性（バネ定数）Ｄ及び膜体の密度ρの両方に依存する。しかしながら、膜体を基板１０１上に倒れ込ませる（例えば、ＣＭＵＴセルを圧潰モードにする）のに要するエネルギ又は力は、当該膜体の曲げ剛性Ｄにより支配される。従って、本発明の実施態様は、第２グループのＣＭＵＴセル１００’の積層部１３０’の質量を第１グループのＣＭＵＴセル１００の積層部１３０の質量と比較して増加させる一方、第１積層部１３０及び第２積層部１３０’を各々有する膜体の間のバネ定数の差を最小にすることを目指す。

膜体の曲げ剛性Ｄは、当該膜状積層部の有効ヤング率Ｅ_effにより表すことができる：

この式において、μはポアッソン比である。該有効ヤング率に対する質量層１３５の追加の影響は、以下の式（３）により近似することができる：

この式において、Ｅ_１及びｔ_１は、各々、当該膜状積層体のヤング率及び厚さであり、Ｅ_２及びｔ_２は、各々、質量層１３５のヤング率及び厚さである。例えば、３ミクロンの厚さを持つ（多層）窒化シリコン膜状積層体及び１ミクロンの厚さを持つ金の質量層の場合、３ミクロンの厚さの窒化シリコン層（又は複数の層）のみを含む膜状積層体と比較して有効ヤング率は２０％増加される。

一実施態様において、第１積層部１３０及び第２積層部１３０’の各層組成は、第１グループのＣＭＵＴセル１００の膜体が第１バネ定数（有効ヤング率）を有する一方、第２グループのＣＭＵＴセル１００’の膜体が上記第１バネ定数から２０％以下だけ相違する第２バネ定数（有効ヤング率）を有するように選択される。より好ましくは、第２グループのＣＭＵＴセル１００’の膜体は、前記第１バネ定数から１０％以下だけ相違する第２バネ定数を有する。幾つかの実施態様において、第１バネ定数及び第２バネ定数は、略同一、即ち互いに１％未満しか相違しない。このことは、トランスジューサアレイ１０のトランスジューサ素子がＣＭＵＴセル１００及び１００’の群により形成され、これらトランスジューサ素子が典型的に単一の制御信号（例えば、当該トランスジューサ素子の各ＣＭＵＴセルを圧潰モードに付勢するための単一のバイアス電圧）によりアドレス指定される場合に特に有利である。というのは、ＣＭＵＴセル１００及び１００’の同等のバネ定数は、当該トランスジューサ素子の動作の間において（例えば、超音波トランスジューサアレイ１０の送信モード又は受信モードにおいて）該トランスジューサ素子の全てのセルが基板１０１上に倒れ込んだ状態に留まり得る（即ち、同等の動的“圧潰”挙動を呈し得る）ことを保証するからである。

質量層１３５として、任意の好適な“重い”材料が、即ち、少なくとも７g/cm³の密度、好ましくは少なくとも１０g/cm³の密度、更に好ましくは少なくとも１５g/cm³の密度等の相対的に高い密度を持つ材料を用いることができる。当該質量層は、更に、好ましくは２００GPa未満のヤング率を有する。１００GPa未満のヤング率を持つ密な材料が特に好ましい。ヤング率は、例えばISO14577又はASTM E2546-07によるナノインデンテーション法を用いて（例えば、常温により）決定することができる。当該材料は、素材料又は複合若しくは合金材料とすることができる。該材料は、例えば、高い密度及び低いヤング率持つ金属（又は金属合金）、例えば金又はプラチナとすることができ、金が特に好適であると考えられる。それにも拘わらず、疑義を回避するために、質量層１３５は必ずしも金属又は金属合金である必要なないことが繰り返し述べられる。即ち、適切に高い密度及び低いヤング率を持つ如何なる好適な材料の使用も、考えることができる。

図２に示されるように、第２積層部１３０’は、第１積層部１３０と同一とすることができるが、質量層１３５を更に含む。このような構成において、第２積層部１３０’のバネ定数は、該追加の質量層１３５の存在により、第１積層部１３０のバネ定数から僅かな量だけ相違するであろう。この理由により、質量層１３５の厚さは、第２積層部１３０’の曲げ剛性（即ち、バネ定数）に対する影響を最少にするために、好ましくは可能な限り小さく維持されるものとする。

しかしながら、第１積層部１３０の層構成は第２積層部１３０’の層構成と相当に異なることができると理解されるべきである。例えば、第１積層部１３０は第２積層部１３’における対応する層とは異なる厚さを持つ誘電体材料の１以上の層を有することができ、及び／又は第１積層部１３０は第２積層部１３０’には存在しない誘電体材料の１以上の層を有することができ若しくはその逆とすることができる。このことは、一層複雑な製造工程を必要とし得るが、このようにすることにより、第１積層部１３０及び質量層１３５を含む第２積層部１３０’の各曲げ剛性（即ち、バネ定数）を、最小限の差しか有ないように（例えば、（略）同一となるように）調整することができる。簡単な例として、第１積層部１３０は第１の厚さの誘電体材料の層を有することができる一方、第２積層部は上記第１の厚さより小さな第２の厚さの同じ誘電体材料の層を有することができ、ここで、第２の厚さは、該第２の厚さの誘電体材料の層及び質量層１３５の組み合わせが第１積層部１３０における第１の厚さの誘電体材料の層の曲げ剛性と（略）同一の曲げ剛性を示すように選定することができる。

図３は、全てが質量層無しで同一の膜体を有するＣＭＵＴセル１００の超音波トランスジューサアレイのＦＥＭ計算された周波数応答（点線）、全てが該膜体を有し、これら膜体上に１.５ミクロン厚の金層からなる質量層１３５が形成されたＣＭＵＴセル１００’の超音波トランスジューサアレイの周波数応答（細い実線）及び斯様なＣＭＵＴセル１００及びＣＭＵＴセル１００’の交互のパターンを有する超音波トランスジューサアレイの周波数応答（太い実線）を示す。該周波数応答は、各トランスジューサアレイをＤＣバイアス電圧により圧潰モードで駆動すると共に各トランスジューサアレイの圧潰状態ＣＭＵＴセルにＡＣ刺激を印加することにより得られた。

図３から分かるように、質量層１３５の追加は、ＣＭＵＴセル１００のピーク共振周波数を、約１３MHzから質量層１３５を含むＣＭＵＴセル１００’の約７MHzへとシフトさせる。太い実線により識別される単一の超音波トランスジューサアレイにおけるＣＭＵＴセル１００及びＣＭＵＴセル１００’の組み合わせは、ＣＭＵＴセル１００又はＣＭＵＴセル１００’のみを有する超音波トランスジューサアレイと比較して略倍化された帯域幅を持つ周波数応答を示す。このことは、第１グループのＣＭＵＴセル１００及び第２グループのＣＭＵＴセル１００’の単一のトランスジューサアレイ１０内の存在が該アレイの広帯域特性を改善することを明らかに示している。更に、このような複数グループのセルの単一トランスジューサアレイ１０内での配置は、斯様なアレイの周波数応答を整形するために用いることもできることに注意すべきである。例えば、周波数応答を、該周波数応答において低い点（例えば、－３dB）に向かって非対称なプロファイルを有するように整形することができる。このような非対称なプロファイルは、例えば、当該アレイの第１高調波周波数において一層調和した波形を促すことができる。

図４は、第１グループのＣＭＵＴセル１００のみを有するトランスジューサアレイ１０の出力圧の等高線プロット（左枠）及び各膜体に質量層１３５を含む第２グループのＣＭＵＴセル１００’のみを有するトランスジューサアレイ１０の出力圧の等高線プロット（右枠）である。水平軸は印加されるバイアス電圧［Ｖ］を示す一方、垂直軸は発生されたパルス長［ns］を示す。両等高線プロットを通して水平に延びる下側の点線は第１グループのＣＭＵＴセル１００の中心周波数を示す一方、両等高線プロットを通して水平に延びる上側の点線は第２グループのＣＭＵＴセル１００’の中心周波数を示す。ブロック矢印により示されているように、このようなＣＭＵＴセルの中心周波数は斯かるセルに質量層１３５を含めることにより一層低い値に実効的にシフトされ得、これによれば、超音波トランスジューサアレイ１０の広帯域特性は当該アレイ内に複数グループのＣＭＵＴセルを含める（この場合、これらグループのうちの幾つかのみが斯様な質量層１３５を含む膜体を有する）ことにより増加することができることを示している。

図５はＣＭＵＴセル１００’の他の実施態様の断面を示すもので、該実施態様において質量層１３５はパターン化された層である。この構成は、例えば、第２グループのＣＭＵＴセル１００’が該ＣＭＵＴセル１００’の各膜体が第１質量の質量層１３５を有する第１副グループ及び該ＣＭＵＴセル１００’の各膜体が第１質量より小さな第２質量の質量層１３５を有する第２副グループに分割されねばならない場合に有利であり得る。このような異なる質量を達成するために異なる厚さの質量層１３５を配置しなければならないというより、各質量層１３５は単一の厚さに形成することができ、第２副グループのＣＭＵＴセル１００’の質量層１３５は、これら層の質量を減少させるためにパターン化される。当業者により即座に明らかとなるように、該パターンの密度及び／又は形状は、第２副グループのＣＭＵＴセル１００’の質量層１３５の質量の減少を調整するために制御することができる。斯かるパターン化された層は、幾つかの実施態様では、同心リングのパターン又は当該膜体の上面の中心から放射状に延びる輻（スポーク）若しくは細条とすることができる。当業者により容易に理解されるように、当該膜体に所望の応力プロファイルを付与するために特定のパターンを選択することができる。

このようにして、異なる質量の質量層１３５を含む複数グループのＣＭＵＴセルが存在する超音波トランスジューサアレイ１０を形成することができる。図６は、このような超音波トランスジューサアレイ１０の例示的実施態様を概略的に示すもので、該アレイは自身の各膜体に質量層を持たない第１グループのＣＭＵＴセル１００、自身の各膜体に連続した質量層１３５を含む第２グループのＣＭＵＴセル１００’及び自身の各膜体にパターン化された質量層１３５を含む第３グループのＣＭＵＴセル１００”を有する。異なる中心周波数を持つ複数グループのＣＭＵＴセルを含めることは、当該超音波トランスジューサアレイ１０の所望の周波数特性（例えば、広帯域特性）の精細な調整を可能にする。当業者によれば、図６の例示的超音波トランスジューサアレイ１０は異なる質量の質量エレメントを含む２つの異なるグループのＣＭＵＴセルを有するが、このような超音波トランスジューサアレイが異なる質量の質量エレメントを含む３以上のグループ、例えば３つのグループ、４つのグループ及び５つのグループ等のＣＭＵＴセルを有することも等しく可能であることが即座に明らかとなるであろう。

図７に概略的に図示された代替実施態様において、第１グループのＣＭＵＴセル１００及び第２グループのＣＭＵＴセル１００’は異なる直径を有している。ＣＭＵＴセル１００及び１００’の対が、単位セル（トランスジューサ素子）５０を形成し得る。単位セル５０内には（例えば、ＣＭＵＴセル１００，１００’の間には）、これらＣＭＵＴセルを基礎となる基板内の回路（ＡＳＩＣ等）に接続するために相互接続部１０２が存在し得る。この実施態様において、単一グループ内のＣＭＵＴセル間のピッチは、当該超音波トランスジューサアレイ１０の該トランスジューサの表面にわたる周波数特性が実質的に均一となることを保証するために、好ましくは一定とする。異なる直径を持つＣＭＵＴセルのグループを使用することは、選択されたグループ（又は複数のグループ）のＣＭＵＴセルに質量層１３５を追加する際の更なる設計自由度を提供する。このことは、圧潰モードの間においてＣＭＵＴセルの中心周波数は膜体半径から大いに独立したものとなるという事実を補償するために用いることができる。このことは、式（１）から理解することができ、この場合において、小半径膜体の圧潰半径Ｒ_ｃは大半径膜体のものより大幅に小さく、かくして、式（１）において項（１－ｘ^２）は項Ｒ^２を補い、従って、ＣＭＵＴセルが圧潰モードで動作される場合において中心周波数は膜半径に対して大いに不感的となる。

図８は、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ製造方法の限定するものでない例示的実施態様を概略的に示している。該方法はステップ（ａ）において基板１０１の準備を開始し、該基板はシリコン基板、シリコンオンインシュレータ基板、シリコンゲルマニウム基板及び窒化ガリウム基板等の任意の好適な基板とすることができる。シリコンベースの基板は、例えば、ＣＭＯＳ製造工程において用いることができる。基板１０１は、半導体装置、半導体装置及び／又はＣＭＵＴセルを相互接続する金属化積層部、金属化積層部上のパシベーション（不動態化）積層部等の幾つかの構造を有することができる。基板１０１は、例えば、自身の積層部（例えば、パシベーション及び／又は平坦化積層部）上に存在するならＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”を含む特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の基板とすることができ、その場合、ＣＭＵＴセルは基板１０１上の信号処理回路に金属化積層部により接続することができる。このような基板１０１を設けることは、それ自体良く知られており、当業者の常套的技術に属するものであるので、適切な基板１０１を設けることは簡略化のため更に詳細には説明しない。

基板１０１上に第１電極１１０が形成され、該電極は、例えば金属又は金属合金、ドーピングされたポリシリコン等のドーピングされた半導体材料、（半）導電性酸化物等の任意の好適な導電材料から形成することができる。例えば、一般的に好まれる製造技術において容易に入手可能な金属を使用することが特に有利である。このことは、製造の流れの最小限の再設計しか必要とせず、これは費用の観点から魅力的であるからである。例えば、ＣＭＯＳ製造工程において、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＴｉＮ等の導電材料並びに斯様な材料の組み合わせを、第１電極１１０を形成するために使用することができる。

第１電極１１０の形成は、基板１０１上の第１電極配置の形成の一部を形成することができ、該第１電極配置はＣＭＵＴセル１００，１００’，１００”の各第１電極１１０を含む。

第１電極１１０及び基板１０１は、次いで、オプションとして電気絶縁（誘電体）材料層１１１により被覆することができる。これが、ステップ（ｂ）に示されている。このような誘電体層１１１は、例えば、該第１電極１１０を対向電極１２０（下記参照）から電気的に絶縁し、当該ＣＭＵＴセルの動作の間における斯かる電極の間の短絡の危険性を低減するために用いることができる。更に、誘電体層１１１は、第１電極１１０上に空洞を形成するための犠牲材料の除去の間において該第１電極１１０及び基板１０１を損傷から保護するために用いることができる。

誘電体層１１１は基板１０１の表面全体を覆うように示されているが、基板１０１の特定の部分のみが第１電極１１０と一緒に誘電体層１１１により被覆されるようなパターン化された誘電体層１１１を設けることも等しく可能である。第１電極１１０及び基板１０１の保護のために、例えば窒化シリコン（Si₃N₄）、酸化シリコン（SiO₂）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）又は酸化ハフニウム（HfO₂）等から選択される１以上の材料等の任意の好適な誘電体材料を用いることができる。もっとも、好適な誘電体材料は、これらの例示的材料に限定されるものではないことを強調しておく。更に、上述した誘電体材料の混合物又は積層体も、第１電極１１０の保護のために用いることができる。このような誘電体層１１１は、例えばＡＬＤ、（ＰＥ）ＡＬＤ、ＰＬＤ、ＰＶＤ、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤ等の適切な堆積技術を用いる任意の好適な方法で形成することができるので、該層の形成は簡略化のために更に詳細には説明しない。

ステップ（ｃ）において、第１電極１１０及びオプションとしての誘電体層１１１を含む基板１０１上に、例えば適切な堆積技術により犠牲材料が形成される。該犠牲材料は、第１電極１１０上の空洞が形成される第１領域１１２を含むと共に、当該犠牲材料を除去することができる通路（チャンネル）として働く、目的とされる空洞の外側の第２領域１１２’を更に有することができるようにパターン化される。形成されるべき空洞のギャップ高に対応する該犠牲材料層の高さは、典型的に、１００～１,０００nmの範囲である。もっとも、この範囲外の値も想定することができると理解されるべきである。

一実施態様において、第１領域１１２は、該第１領域１１２から１以上の歯状突起（例えば、２～８の斯様な突起）の形態で延びる第２領域１１２’を備えた円形領域である。このような犠牲材料層の上面図がステップ（ｃ’）に示され、該図には４つの斯様な突起が限定するものでない例としてのみ示されている。該歯状第２領域１１２’は、典型的に、形成されるべき膜体の外側の空洞アクセスプラットフォームとして使用されるもので、該空洞アクセスプラットフォームを介して空洞を開成又は開放するための第１部分１１２へのアクセスを提供することができる。

原理的に、如何なる好適な犠牲材料も用いることができるが、装置性能の理由で、後続のエッチング工程において効果的に除去することが可能な犠牲材料を用いることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ｃｒ及びＭｏ、Ｔｉ及び(Ti)W等の金属又はアモルファスシリコン又は酸化シリコン等の非金属の使用を考えることができる。Ａｌ、アモルファスシリコン及び酸化シリコン等の材料は、例えばＣＭＯＳ製造工程において容易に利用可能であり、これらの材料のうちのＡｌはエッチングにより特に効果的に除去することができる。パターン化される犠牲材料は、例えば適切な堆積及びパターニング技術を用いる等の任意の好適な方法により形成することができるもので、その形成は簡略化のために更に詳細には説明しない。

第１領域１１２の直径が、形成されるべきＣＭＵＴ１００，１００’，１００”の空洞の直径を定めることが理解されるであろう。一実施態様において、当該直径は２０～５００ミクロンの範囲に、より好ましくは５０～３００ミクロンの範囲に選択されるが、より大きな直径、例えば１,０００ミクロンまでもの直径も想定され得ると理解されるべきである。

ステップ（ｄ）において、形成されるべき膜体の第１誘電体層１３１が、犠牲材料の第１領域１１２及び第２領域並びに、もし存在するなら、誘電体層１１１の露出部分上に堆積される。第１誘電体層１３１及び誘電体層１１１は犠牲層を除去するために共にエッチ法に曝されるので、第１誘電体層１３１及び誘電体層１１１は同一の材料のものとすることができるが、第１誘電体層１３１及び誘電体層１１１のために異なる材料を各々使用することも、勿論、もっともである。一実施態様において、第１誘電体層１３１及び誘電体層１１１は、各々、酸化シリコン層（例えば、SiO₂）、窒化シリコン層（例えば、Si₃N₄等）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）層及び酸化ハフニウム（HfO₂）層等の何らかの好適な誘電材料から形成された少なくとも１つの層を有する。当業者にとり、多くの他の好適な誘電体層材料が明らかであろう。好ましくは、斯かる誘電体層を形成するためにPECVD及びＡＬＤ等の堆積技術が用いられる。これらの技術は４００℃より低い温度で実行することができ、このことは、これら技術をＣＭＯＳ製造処理と両立させ得るからである。第１誘電体層１３１は積層体、例えば酸化物－窒化物積層体又は酸化物－窒化物－酸化物積層体として形成することができる。同様に、オプションとしての誘電体層１１１も斯様な積層体として形成することができる。オプションとしての誘電体層１１１及び第１誘電体層１３１のために任意の好適な誘電体材料を用いることができることを繰り返し言及する。更に、これらの誘電体層のために、上述した誘電体材料の混合物又は積層（例えば、ＡＬＤ積層）を用いることもできる。

第１誘電体層１３１の形成の後、第２電極１２０を含む第２電極配置が、ステップ（ｅ）に示されるように第１誘電体層１３１上に各第２電極１２０が第１電極１１０に対向されるようにして形成される。該第２電極配置は、好ましくは、前記第１電極配置のものと同一の導電材料から形成されるものとするが、第２電極配置及び第１電極配置は他の例として異なる材料から形成することもできると理解されるべきである。第２電極配置は、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、Ｔｉ及びＴｉＮ等並びに斯かる材料の組み合わせのような任意の適切な導電材料から形成することができる。第２電極配置は良く知られた技術を用いて形成することができるが、これら技術は簡略化のために更に説明されることはない。第１電極１１０を含む第１電極配置及び第２電極１２０を含む第２電極配置は、例えば５０～２５０nm厚等の任意の適切な厚さに形成することができる。例えば応用分野に依存して、他の好適な厚さも考えられる。

第２電極１２０の形成の後、本方法は第２誘電体層１３３が形成されるステップ（ｆ）に示されるように進む。オプション的な実施態様において、第２誘電体層１３３は第１電極１１０と第２電極１２０との間における犠牲材料の第１部分１１２の厚さを超える第１厚さｔ１に形成され、かくして、空洞１０５を形成した際に空洞ギャップの高さｇが該厚さｔ１より大幅に小さくなる（即ち、ｇ／t1≪１）ようにする。好ましくはt1≧３ｇ、より好ましくはt1≧５ｇとする。このことは、ステップ（ｇ）における空洞１０５の解放（即ち、アクセス部又はビア１１６の形成及び後続する犠牲材料の第１部分１１２及び第２部分１１２’の除去による）の間において、該空洞１０５を形成するための犠牲材料の除去の段階においてｇ≪t1となるので、当該膜体が該空洞解放の間において優れた膜強度を示すことを保証する。更に、第２誘電体層１３３は空洞１０５の解放の前に形成（例えば、堆積）されるので、優れた平坦特性を持つ膜体が得られる。該第２誘電体層１３３の形成の間において犠牲材料の存在が第１誘電体層１３１の変形を防止するからである。

犠牲材料の第１部分１１２及び第２部分１１２’は、次いで、ステップ（ｇ）に示されるようにＣＭＵＴセル１００，１００’の第１電極１１０と、膜状積層部１３０における第１誘電体層１３１と第２誘電体層１３３との間に埋め込まれた第２電極１２０との間に空洞１０５を形成するために適切なエッチ法を用いてアクセス部又はビア１１６を形成することにより除去される。このような通常の犠牲材料のための好適なエッチ法自体は良く知られており、当業者であれば自身の通常の知識を用いて適切なエッチ法を選択することは困難ではないであろう。

積層部１３０の厚さは、ステップ（ｈ）におけるアクセス部又はビア１１６の密閉の間において該アクセス部又はビア１１６内の栓１１８を含む更なる誘電体層１３４の形成により更に増加され得る。該更なる誘電体層１３４は、第２誘電体層１３３より大幅に薄くすることができる。該更なる誘電体層１３４は、上記アクセス部又はビア１１６を効果的に密閉するために空洞１０５の高さの少なくなくとも２倍（例えば、該高さの３～４倍）の厚さに形成することができる。

ステップ（ｉ）において、第２グループのＣＭＵＴ素子１００’の膜状積層部１３０’を形成するために、選択された膜状積層部１３０に質量層１３５が被着される。このような質量層１３５は、例えば膜状積層部１３０にわたってマスク層を被着し、質量層１３５が被着される膜状積層部１３０を露出させるために該マスク層をパターニングする（質量層の被着後、該マスク層は除去することができる）ことによる等の任意の適切なやり方で選択的に被着することができる。質量層１３５を選択的に被着させるための他の好適な技術は、当業者にとり即座に明らかになるであろう。明示されていないが、第２グループのＣＭＵＴセル１００’における更なる差別化は、選択された質量層１３５をパターニングして、前述したような異なる質量の質量層１３５を有する第１副グループ及び第２副グループのＣＭＵＴセルを形成することにより達成することができる。

この時点で、ステップ（ａ）～（ｉ）は、１以上のＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（ 基板１０１上に存在する場合）を形成する有利であるが限定するものでない例を概略的に示すものであることが強調される。当業者によれば、多数の他の方法が明らかであろう。

注目すべき製造工程変形例は、前記アクセス部又はビア１１６を、例えば栓１１８を形成するために金属又は誘電体層等の専用の密閉層を堆積及びパターニングすることによる等の何らかの好適な材料を用いる任意の好適なやり方で密閉することができるというものである。更に、前記空洞１０５は、例えば第２誘電体層１３３の形成前等の当該ＣＭＵＴ製造工程における任意の好適な時点で解放することができることが注記される。他の注目すべき製造工程変更例は、第１電極１１０及び／又は第２電極１２０を誘電体層により空洞１０５から分離することができ又は分離しなくてもよいというものである（これは、典型的な設計上の選択であるからである）。前述したように、当該ＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在する場合）の動作の間において第１電極１１０と第２電極１２０との間の直接的接触を防止するために第１電極１１０及び／又は第２電極１２０上に誘電体層（即ち、電気絶縁層）を設けることができる。

膜状積層部１３０は、例えば誘電体層の積層体というより単一の誘電体層等による等の、任意の好適な態様で形成することができる。このような製造工程上の選択は当業者の常套的技量内に入るもので、明示的には言及しない。前述したように、全てのＣＭＵＴセル１００，１００’が同一の膜状積層部１３０を有し得るものではない。第２グループのＣＭＵＴセル１００’における質量層１３５の存在に加えて、積層部１３０及び１３０’の間で異なる層及び／又は異なる層厚を有することも等しく可能である。

また、個々のＣＭＵＴセル１００の他の設計も勿論可能であると理解されるべきである。ＣＭＵＴセル１００の設計は本発明に特に関連があるものではなく、これらセルの任意の好適な設計が想定され得る。例えば、底部電極１１０と空洞１０５との間に中間電極が配置されるような３電極ＣＭＵＴセル１００も等しく可能である。このような３電極ＣＭＵＴセルは、例えば、刺激及びバイアス電圧を別個の電極を介して供給するために（ＣＭＵＴセルの底部へ膜体が固着する危険性を低減するために）想定することができる。

この時点で、種々の実施態様には図示されていないが、実施態様に従って製造されるＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在する場合）は、更なる回路エレメントを有することができ、これら回路エレメントは基板１０１上に集積することができるか、又は別の基板上に設けられると共に本発明の実施態様に従って製造されるウェファからのＣＭＵＴ装置の１以上と一緒に単一のパッケージに統合することができると理解されるべきであることを更に注記する。このような更なる回路は、例えば、１以上のＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在するなら）を制御し及び／又は１以上のＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在するなら）により発生される信号を処理する（例えば、該１以上のＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在するなら）の送信及び／又は受信モードを制御するために）ためのＩＣ（例えば、ＡＳＩＣ）とすることができる。ＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在するなら）及び／又は斯様なセルを有する超音波トランスジューサアレイの他の好適な実施態様は、当業者によれば即座に明らかとなるであろう。

更に、上述した製造工程において、該製造工程の間において処理されるウェファは、単一のダイ、即ち単一の装置を含むことができ（この場合、基板１０１が該ウェファに対応する）、又は当該装置製造工程の完了の後に何らかの適切な方法で単一化する（例えば、ダイシングする）ことができる複数のダイを含むことができる（この場合、基板１０１は当該ウェファの一部に対応し、その例示的実施態様は後に更に詳細に説明される）ことが注記される。

図９は、一実施態様による前述した複数グループの円形ＣＭＵＴ素子５０（これらの各々は、前述したようなＣＭＵＴセル１００、１００’及び１００”（存在するなら）を含み得る）の二次元トランスジューサアレイ１０の平面図である。該アレイは、従来の態様で対称に整列されたＣＭＵＴ素子の行５６及び列５８に構成されている。この例において、各列５８は埋め込まれた金属トラックを含む一体の可撓箔により被覆され、このことは、これら列が円筒状に曲げられることを可能にする。該可撓箔は後に詳細に説明する。この例において、当該アレイは、列方向におけるピッチを示す矢印５２及び行方向におけるピッチを示す矢印５４により示されるように、行及び列の両方向において同一のピッチを有するように寸法決めされている。これら列５８は別個の基板アイランド（例えば、別個のシリコンアイランド又は細条）として形成することができ、かくして、当該トランスジューサアレイ１０は三次元主体（例えば、カテーテルの外部シース等の円筒状主体）の周囲に巻き付けることができる。

図１０は、好ましい実施態様により構成された二次元超音波トランスジューサアレイ１０の平面図である。図１０に示されるように、ＣＭＵＴ素子５０のグループの行５６及び列５８は、それ自体は良く知られているように、千鳥状に配列されている。この例における千鳥状配列はＣＭＵＴ素子５０間の間隔５５を列方向に増加させることにより適合され、該増加は隣接する列及び行が更に一層互い同士で分散配置される（互いに更に間隔をつめられる）ことを可能にする。一実施態様において、間隔５５は少なくともＣＭＵＴ素子５０の直径である。複数グループのＣＭＵＴセル１００、１００’（及び１００”等）を備えたトランスジューサ素子５０を有するトランスジューサアレイ１０において、同一のグループのＣＭＵＴセル１００，１００’の間のピッチは、好ましくは、当該アレイにおいて一定であるものとし、かくして、当該アレイが該アレイの全トランスジューサ面積にわたって均一な広帯域特性を示すようにする。

図示された例において、トランスジューサ素子５０は、セルからセルへの列又は行方向の接線が隣接する千鳥配置された列又は行のセルと実際に交差するほど密に間隔がつめられている。トランスジューサ素子５０の該間隔詰めは、トランスジューサ素子５０の間の垂直方向の（即ち、列方向の）間隔の増加を要せずに、少なくともトランスジューサ素子５０の最も密な充填が達成される点までの当該トランスジューサアレイ１０内のＣＭＵＴ素子の密度の増加を可能にする。この点を超えて、列方向における連続するＣＭＵＴ素子５０の間のピッチを矢印５５が示すように増加して、矢印５７及び５９により示されるような水平方向の間隔の更なる低減を促進することができるが、このことは当該トランスジューサアレイの全体のＣＭＵＴ密度を減少させる。図１０のＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０は、少なくとも最密な充填において、図９のＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０よりも高いセル密度を有する。

図１０において、ＣＭＵＴ素子５０の各列５８は、別個の基板アイランド、即ちシリコンダイの別個の断片上に配置されている。各基板アイランド（例えば、シリコンアイランド）は、列５８の長さ方向に（即ち、列５８に沿って）蛇行するエッジ構造を有することを特徴とし、エッジ部５８ａはトランスジューサ素子５０の周囲で外側方向に蛇行する一方、エッジ部５８ｂは１つの列５８における隣接するＣＭＵＴセル５０，５０’の間の間隔へと内側方向に蛇行する。言い換えると、列５８は列方向に波状の対向するエッジを有し、これら波のピークはＣＭＵＴセル５０，５０’に一致し、波の谷はＣＭＵＴ素子５０の間の空間５５に一致する。

隣接する列５８は、自身のシリコンアイランドの外側方向に蛇行するエッジ部が隣接するシリコンアイランドの内側方向に蛇行するエッジ部と整列する（即ち、内側方向に蛇行するエッジに入り込む）ように配置され、これにより、隣接する列５８の間のＣＭＵＴ素子５０の千鳥状整列によりＣＭＵＴ素子５０の千鳥状の行を形成する。隣同士のシリコンアイランドは、典型的に、ギャップ５７により分離され、例えば当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０を円筒状主体（例えば、カテーテルのシース）等の三次元主体の周りに巻き付ける場合に斯かるシリコンアイランドの互いに対する面外への曲げを容易にする。

上記基板アイランドの互いに対する相対位置を維持するために、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０は該基板アイランドが取り付けられる可撓箔６０を更に有する。該可撓箔６０は、例えば、金属層又は金属積層体（例えば、金属トラック）がポリマ層又はポリマ積層体に埋め込まれ（又は、により被覆され）、該ポリマが典型的に上記金属層を偶発的短絡から保護するために電気的に絶縁するような所謂フレックス・リジッド（可撓／剛性）箔を有することができる。このような可撓箔６０のための好適なポリマの限定するものでない例は、ポリイミドである。ポリイミドはＣＭＯＳ製造工程等の多くの半導体製造工程と相性が良いことが良く知られているからである。当業者によれば、例えばパリレン等の他の好適なポリマも即座に明らかとなるであろう。好適な金属の限定するものでない例は、アルミニウム又は半導体製造工程において一般的に使用される何らかの他の金属である。このような材料の既存の半導体製造工程との相性は、製造方法を再設計又は再開発しなければならない（このことは、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０のコストを増加させ得る）というより、既存の半導体製造工程を用いて当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイの製造を容易化する。

可撓箔６０を介して相互接続された複数の隣接する蛇行基板アイランド上にＣＭＵＴ素子５０を設けることは、当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０の該アレイの行方向における面外の曲げを可能にすると同時に該アレイの列方向における構造的完全性を提供し、このことは、例えば該アレイを血管内カテーテル又は心臓内カテーテル等のカテーテルの周りに巻き付ける場合に特に有利である。例えば、当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０は、このようなカテーテルの外部シースの周りに前記シリコンアイランド列５８を該カテーテルの長さ方向に整列させて巻き付けることができる（即ち、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０は面外に曲げられ、該カテーテルシースの周りに行方向に巻き付けられる）。多数の相対的に狭いシリコンアイランドを設けることにより、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０をカテーテルシース等の円筒状主体の周りに巻き付ける場合に該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０の略円筒状の構造を実現することができ、斯様なＣＭＵＴトランスジューサアレイが斯かる主体の全表面にわたり連続的となる（例えば、文献EP2455133A1の場合におけるように、ＣＭＵＴトランスジューサアレイの一部を形成する隣接する長方形シリコンアイランドの間の不連続部を含まない）という更なる利点を伴う。

本発明の他の態様によれば、この減少された間隔５７及び５９の利点が、図１０のアレイをトランスジューサ素子５０の動作行が素子の水平の行５６ではなく、２つの（又はそれ以上の）隣接する千鳥配列された行の間隔のつめられた組み合わせとなるように動作させることにより利用される。このことは、素子の動作行が素子の完全に線状の行であるような従来のダイシングされた圧電トランスジューサ素子の知識とは反するものである。図１０の例において、素子の動作行は素子の千鳥配列された行により形成される。例えば、図１０における１つの動作行は、２つの隣接する千鳥配列された行のトランスジューサ素子６２_１，６２_２，６２_３，６２_４，…６２_Ｎを有する。即ち、Ｍ番目の動作行はＣＭＵＴ素子５０の各列５８のＭ番目のＣＭＵＴ素子５０を有し、Ｍは正の整数であり、各行はカテーテルの周囲に巻き付けられた場合に蛇行する環状の行を形成する。千鳥配列された行の一層密な間隔は、９６個のセルの動作行が設けられることを可能にし（ここで、標準的な対称配列は、例えば、６４個のセルしか収容しない）、斯かる動作行の千鳥状構造は、アンテナパターンにおける減少されたグレーティングローブによる一層小さなクラッタにより高度に解像される画像のための音響信号を依然として供給することができる。このような千鳥配列された行は、例えば、隣接する列５８の適切なＣＭＵＴ素子５０を順次駆動する（例えば、Ｎ個の列５８のトランスジューサ素子６２_１，６２_２，６２_３，６２_４，…６２_Ｎを順次駆動する）ことによりアドレス指定することができる。

図１０の実施態様において、各基板（例えば、シリコン）アイランドは、連続した可撓箔６０により保持されている。他の実施態様において、可撓箔６０は、該可撓箔６０が前記ギャップ５７に整列した複数の凹部（recess）を有し、該可撓箔６０の異なる領域（例えば、異なる基板（シリコン）アイランドを保持する異なる領域）を相互接続するために各ブリッジ部又はブリッジがギャップ５７に跨がって延在するようにパターン化することができる。この構成は、当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイの可撓性を増加させるが、より低い強度のものとなり得る。

図１１は、ＣＭＵＴ素子５０が配置された２つのシリコンアイランドを結合する可撓箔ブリッジの形成における幾つかの製造方法ステップを示す。図１１の（ａ）は、上面及び底面上に熱二酸化シリコン層７２が成長されたシリコンウェファ７０を示す。上面には、標準的リソグラフィを用いて、パターン形成されたアルミニウム領域８１がスパッタリングされる。上面における該アルミニウム領域の一方上にポリイミドのパターン形成された領域７４が設けられ、該パターンが当該可撓箔におけるブリッジを画定する。連続した可撓箔の場合、ポリイミド７４は連続したシートであり得る。該ポリイミド７４上にアルミニウム層８０が堆積され、該アルミニウム上に第２のポリイミド層７６が設けられる。図１１の（ｂ）に示されるように、エッチングの間においてマスクとして使用するために、他のアルミニウムの層８２がアルミニウム層８０上にパターン形成される。

最後に、図１１の（ｃ）に示されるように、シリコンウェファ７０は、共にＣＭＵＴ位置８８の下及び可撓性ブリッジ７４，８０，７６の下である、厚いレジストによりマスキングされた領域８４の外側の領域において背後からエッチング除去される。上面における可撓性ブリッジ９０の両側におけるポリイミド層７６はエッチマスク層８２の両側においてパターニング除去され、該エッチマスク層自体も次いでエッチング除去される。その結果は、可撓性ブリッジ９０により結合された２つの別個のシリコンアイランド９２及び９４である。可撓性ブリッジ９０及び該ブリッジに類似した他のものは、斯様なＣＭＵＴが植設されたアイランドのアレイが円筒形状に巻き付けられることを可能にし、心臓内カテーテルトランスジューサの要求に適合する。

前述したように、音響トランスジューサ素子５０の動作行２００は、従来のように真っ直ぐな行のトランスジューサ素子により形成されるのではなく、ＣＭＵＴセル５０，５０’の２以上の隣接する千鳥配列された行２０２及び２０４により形成される。図１２は超音波トランスジューサアレイ１０の代替実施態様を概略的に示すもので、該実施態様において、各シリコンアイランド列５８は１対の千鳥状配列に配置されたＣＭＵＴ素子５０を有する列を有する。即ち、第１列における１つのＣＭＵＴ素子５０の領域は隣接する列における隣接するＣＭＵＴ素子５０の間の間隔へと延在し、かくして、これらの隣接するＣＭＵＴセルの間の接線が、好ましくは、これらの隣接するＣＭＵＴ素子の間の間隔へと延在するＣＭＵＴ素子５０の領域と交差するようにする。

前述したものと同様に、シリコンアイランド列５８は該列５８の長さ方向において（即ち、該列５８に沿って）蛇行するエッジを有し、ＣＭＵＴ素子５０の周りで外側に向かって蛇行するエッジ部分及び列５８における隣接するＣＭＵＴ素子５０の間の間隔へと内側に向かって蛇行するエッジ部分を備える。隣接する列５８は、自身のシリコンアイランドの外側に向かって蛇行するエッジ部分が隣接するシリコンアイランドの内側に向かって蛇行するエッジ部分と整列する（即ち、該内側に向かって蛇行するエッジ部分に入り込む）ように構成され、これにより、隣接する列５８の間のＣＭＵＴ素子５０の千鳥状整列によりＣＭＵＴ素子５０の千鳥配列された行を形成する。隣接するシリコンアイランドは、典型的に、例えば当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０を前述したようにカテーテルシースに巻き付ける場合におけるシリコンアイランドの互いに対する面外への曲げを容易にするためにギャップ５７により分離される。

この実施態様は、より大きな（即ち、より広い）シリコンアイランドをもたらし、このことが斯かるアイランドの構造的剛性を改善する一方、行方向に優れた可撓性を備えた超音波トランスジューサアレイを依然として提供するという利点を有する。この実施態様は、当該トランスジューサアレイが巻き付けられる主体（例えば、カテーテルシース）の周面が単一のシリコンアイランドの幅の何倍もあり、多数のシリコンアイランドが該主体に巻き付けられるべきものとなり、該主体の周りに実質的に連続したトランスジューサ行が設けられるようになる場合に、特に有利である。

前述したのと同様に、動作行２００の方向は面内ビームステアリング方向である。即ち、ビームステアリングは、典型的に、列５８に対して垂直に行われる。別個のシリコンアイランドは、これらシリコンアイランドの各向きを維持すると共に、当該二次元トランスジューサアレイ１０が図１３に示されるようにカテーテル２５０の遠位先端２１０の周囲で円筒形状に曲げられることを可能にするために、可撓箔６０（例えば、図に示されるような連続した箔又は隣接するシリコンアイランドの間のギャップを跨ぐブリッジ部９０を含むパターニングされた箔）と重ね合わされる。当該アレイは限定するものでない例示としてのみ遠位先端２１０に巻き付けられていると理解されるべきである。即ち、アレイ１０はカテーテル２５０の遠位先端の近くに配置されることが好ましいが、例えば該トランスジューサアレイ１０をカテーテル２５０の任意の他の部分に巻き付けることも等しく可能である。幾つかの実施態様において、カテーテル２５０は、遠位先端２１０上に、例えば該巻き付けられた超音波トランスジューサアレイ１０に加えて円形の周を持つ平面状超音波トランスジューサアレイ等の他の超音波トランスジューサアレイ（図示略）も有することができ、かくして、カテーテル２５０は該カテーテルの前方の及び該カテーテルの周囲の身体部分の画像を発生することができ、このことは、例えば心臓内撮像の際に特に有利である。幾つかの実施態様において、カテーテル２５０は、従って、心臓内カテーテル又は血管内カテーテルとすることができる。

図１４及び図１５は、本発明の他の実施態様による２つのＣＭＵＴアレイ１０の平面図である。図１４において、各ＣＭＵＴ素子５０は自身の基板（例えば、シリコン）アイランド９２上に作製されている（図１１参照）。ＣＭＵＴ素子４０の各列５８は、可撓箔の細条６０と重ねられ、隣接する列の箔細条は、図１１に示された様に形成される可撓性ブリッジ９０により相互接続されている。可撓箔細条６０はアルミニウム等の導電材料を有することができ、該導電材料は当該列内の超音波素子を一緒にアドレス指定するか、又は斯かる素子を接地等の同一の電位に維持することができる。当該トランスジューサアレイ１０内の素子５０の個々のアドレス指定は、集積回路を介して実現することができる。上記可撓性ブリッジは、このようにして、当該トランスジューサアレイ１０の素子５０の向き維持することを助ける一方、該アレイが湾曲された構造に屈曲及び湾曲されることを可能にする。特に、この実施態様において、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０は、各列５８が可撓箔細条６０におけるブリッジ構造９０により相互接続された複数の基板アイランドにより形成されることにより、行方向及び列方向に曲げることができる。

図１５は、各基板（例えば、シリコン）アイランド９２上に２つのＣＭＵＴ素子５０，５０’が存在することを除き類似したＣＭＵＴアレイ１０を示す。例えば、隣接する素子列のＣＭＵＴ素子５０及び５０’は、共に同一のシリコンアイランド上に配置される。該２つの隣接する列は可撓箔細条６０と重ねられ、隣接する箔細条は可撓性ブリッジ９０により相互接続され、このことは、ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０の湾曲された又は円筒状の形状への曲げを可能にする。

前述したのと同様に、ブリッジ構造９０により相互接続された別個の部分を有する可撓箔細条６０の代わりに、各基板アイランドを保持するために連続した可撓箔を用いることもできる。このような代替実施態様は、一層強固であるが、一層限られた可撓性しか有さないであろう。しかしながら、このことは、当該ＣＭＵＴトランスジューサアレイ１０が適合される主体の曲率が相対的に限られたものであるなら問題とはならないであろう。

この時点で、図９～図１５における実施態様はＣＭＵＴセル１００，１００’の群（クラスタ）を有するＣＭＵＴ素子５０に関して説明されたものであるが、各ＣＭＵＴ素子５０が単一のＣＭＵＴセル（例えば、ＣＭＵＴセル１００又はＣＭＵＴセル１００’）を有することも等しく可能であり、後者の場合、当該トランスジューサアレイ１０は典型的にＣＭＵＴ素子５０としてＣＭＵＴセル１００，１００’の交互のパターンを有することが更に注記される。

図１６は超音波診断撮像システム１の例示的実施態様をブロック図の形で概略的に示すもので、該システムは、一緒に接続されて単一のトランスジューサ素子として一体的に動作される複数のＣＭＵＴセル１００及び／又は１００’を有する超音波トランスジューサアレイ１０（例えば、超音波トランスジューサ素子タイル（トランスジューサ素子）のアレイ）を備える。アレイ１０は、前述したように、カテーテル２５０等の超音波プローブの一部を形成することができる。図１６において、トランスジューサアレイ１０は超音波を送信すると共にエコー情報を受信するために設けられる。前述したように、トランスジューサアレイ１０は、２Ｄ面で又は３Ｄ撮像のために三次元でスキャンすることができる超音波トランスジューサ素子タイルの一次元又は二次元アレイとすることができる。

トランスジューサアレイ１０は、プローブ又はカテーテル２５０に組み込むことができるマイクロビーム形成器１２に結合することができ、該マイクロビーム形成器は超音波トランスジューサセル１００（又は超音波トランスジューサセルのクラスタ）による信号の送信及び受信を制御する。マイクロビーム形成器は、例えば米国特許第5,997,479号（Savord他）、米国特許第6,013,032号（Savord）及び米国特許第6,623,432号（Powers他）に記載されているように、トランスジューサ素子タイルのグループ又は“パッチ”により受信される信号の少なくとも部分的ビーム形成を行うことができる。

マイクロビーム形成器１２は送信器／受信器（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６を有する端末（例えば、患者インターフェースモジュール等）にプローブケーブル（例えば、同軸ワイヤ）により結合することができ、上記Ｔ／Ｒスイッチは送信モードと受信モードとの間を切り換えると共に、マイクロビーム形成器が存在しないか又は使用されず、トランスジューサアレイ１０が主（システム）ビーム形成器２０により直接的に動作される場合に該主ビーム形成器２０を高エネルギ送信信号から保護する。マイクロビーム形成器１２の制御の下でのトランスジューサアレイ１０からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６により前記マイクロビーム形成器に結合されたトランスジューサコントローラ１８及び主システムビーム形成器２０により指示することができ、これらはユーザインターフェース又は制御パネル３８のユーザ操作から入力を受信する。トランスジューサコントローラ１８により制御される機能の１つは、ビームがステアリング及び収束される方向である。ビームは、トランスジューサアレイ１０から真っ直ぐ前方に（垂直に）、又は一層広い視野のために異なる角度でステアリングすることができる。トランスジューサコントローラ１８は、超音波トランスジューサアレイ１０のための電圧源４５を制御するように結合することができる。例えば、電源４５は、それ自体良く知られているように、ＣＭＵＴ素子の１以上のＣＭＵＴセル１００，１００’を圧潰モードで動作させるためにＣＭＵＴアレイ１０のＣＭＵＴ素子に印加されるＤＣ及びＡＣバイアス電圧（又は複数の電圧）を設定する。

この目的のために、電源４５は、オプションとして、上記ＤＣ及びＡＣ又は例えば送信モードにおいてＣＭＵＴセル１００の駆動電圧の各刺激成分を供給するための別個のステージを有することができる。第１ステージは静的（ＤＣ）電圧成分を発生するように構成することができる一方、第２ステージは設定された交流周波数を持つ交流可変電圧成分又は刺激を発生するように構成することができ、該信号は典型的に全体の駆動電圧と上述した該駆動電圧の静的成分との間の差分である。印加される駆動電圧の静的又はバイアス成分は、好ましくは、当該ＣＭＵＴ素子を圧潰状態にさせる場合の（即ち、これらＣＭＵＴ素子を圧潰モードで動作させる場合の）閾電圧を満たす又は超えるものとする。この構成は、全体の電圧の特に低ノイズの静的成分を発生させるために第１ステージが相対的に大きなコンデンサ（例えば、平滑コンデンサ）を含むことができるという利点を有し、ここで、上記静的成分は典型的に上記全体の電圧を全体の電圧信号のノイズ特性が該静的成分のノイズ特性により支配されるように支配するものである。

電源４５の他の好適な実施態様は、例えば、該電源４５がＣＭＵＴ駆動電圧の静的ＤＣ成分を発生するための第１ステージ、該駆動電圧の可変ＤＣ成分を発生するための第２ステージ、及び当該信号の周波数変調又は刺激成分を発生するための第３ステージ（例えば、パルス回路等）を含む３つの別個のステージを含む実施態様等のように、明らかであろう。

マイクロビーム形成器１２により生成される部分的にビーム形成された信号は主ビーム形成器２０に送ることができ、ここで、トランスジューサ素子の個々のパッチからの該部分的にビーム形成された信号は完全にビーム形成された信号へと組み合わされる。例えば、主ビーム形成器２０は１２８のチャンネルを有することができ、これらチャンネルの各々が数十又は数百の超音波トランスジューサセル１００，１００’のパッチからの部分的にビーム形成された信号を受信する。このようにして、トランスジューサアレイ１０の数百のトランスジューサ素子により受信された信号が、単一のビーム形成された信号に効率的に貢献することができる。

ビーム形成された信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は受信されたエコー信号を帯域通過フィルタ処理、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離及び高調波信号分離等の種々の方法で処理することができ、該処理は線形及び非線形信号を分離して、組織及びマイクロバブル（微少気泡）から戻る非線形（基本周波数の高い調波）エコー信号の識別を可能にするように働く。

信号プロセッサ２２は、オプションとして、スペックル（斑紋）低減、信号合成（signal compounding）及びノイズ除去等の付加的信号強調を実行することができる。信号プロセッサ２２における上記帯域通過フィルタは、エコー信号が増加する深度から受信されるにつれて自身の通過帯域が高い周波数帯域から低い周波数帯域にシフトする追跡フィルタとすることができ、これにより、一層大きな深度からの一層高い周波数におけるノイズ（一層大きな深度では、これらの周波数は解剖学的情報に欠ける）を排除する。

上記の処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６に、及びオプションとしてドプラプロセッサ２８に供給することができる。Ｂモードプロセッサ２６は、身体内の臓器及び血管の組織等の身体内の構造の撮像のために、受信された超音波信号の振幅の検出を採用する。身体の構造のＢモード画像は、例えば、米国特許第6,283,919号（Roundhill他）及び米国特許第6,458,083号（Jago他）に記載されているように、高調波画像モード、基本画像モード又は両モードの組み合わせの何れかで形成することができる。

ドプラプロセッサ２８（存在するなら）は、画像フィールド内の血液細胞の流れ等の物質の動きを検出するために、組織運動及び血流からの時間的に区別できる信号を処理する。該ドプラプロセッサは、典型的に、身体内の選択されたタイプの物質から戻るエコーを通過及び／又は拒絶するように設定することができるパラメータを備えたウォールフィルタを含む。例えば、該ウォールフィルタは一層高い速度の物質からの相対的に低い振幅の信号を通過させる一方一層低い又はゼロ速度の物質からの相対的に強い信号を拒絶する帯域通過特性を有するように設定することができる。

この帯域通過特性は、流れる血液からの信号を通過させる一方、略静止した又は心臓の壁等の緩やかに移動する物体からの信号を拒絶する。逆の特性は、組織の動きを検出及び描写する組織ドプラ撮像と称されるもののために、心臓の運動する組織からの信号を通過させる一方、血流信号は拒絶する。当該ドプラプロセッサは、画像フィールド内の異なる点からの時間的に離散したエコー信号の系列を受信及び処理することができ、特定の点からの該エコーの系列はアンサンブルと称される。相対的に短い期間にわたり立て続けに受信されるエコーのアンサンブルは、流れる血液のドプラシフト周波数を推定するために使用することができ、該ドプラ周波数の速度に対する対応が血流速度を示す。より長い期間にわたり受信されるエコーのアンサンブルは、緩やかに流れる血液又は緩やかに動く組織の速度を推定するために使用される。

前記Ｂモード（及びドプラ）プロセッサにより生成された構造及び動き信号は、スキャンコンバータ３２及び多面再フォーマッタ４４に結合される。スキャンコンバータ３２は、受信された空間関係におけるエコー信号を所望の画像フォーマットに配列する。例えば、該スキャンコンバータは、当該エコー信号を二次元（２Ｄ）扇状フォーマット又は角錐状三次元（３Ｄ）画像に配列することができる。

上記スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に、当該画像フィールド内の各点における斯かる点のドプラ推定速度による動きに対応するカラーを重ね合わせ、該画像フィールドにおいて組織の動き及び血流を描くカラードプラ画像を生成することができる。多面再フォーマッタ４４は、例えば米国特許第6,443,896号（Detmer）に記載されているように、当該身体のボリューム領域における共通面内の各点から受信されるエコーを、該面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ４２は、米国特許第6,530,885号（Entrekin他）に記載されているように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影３Ｄ画像に変換する。

上記２Ｄ又は３Ｄ画像は、スキャンコンバータ３２、多面再フォーマッタ４４及びボリュームレンダラ４２から、画像表示器４０上で表示するための更なる強調、バッファリング及び一時的記憶のために画像プロセッサ３０に結合される。撮像のために使用されることに加えて、ドプラプロセッサ２８により生成された血流値及びＢモードプロセッサ２６により生成された組織構造情報は、定量化プロセッサ３４にも結合される。該定量化プロセッサは、血流の体積流量等の異なる流れ条件の尺度並びに臓器の寸法及び妊娠期間等の構造的尺度を生成する。該定量化プロセッサは、画像の解剖学的構造における測定がなされるべき点等の入力をユーザ制御パネル３８から受信することができる。

上記定量化プロセッサからの出力データは、表示器４０上の画像による測定図形及び値の再生のためにグラフィックプロセッサ３６に結合される。グラフィックプロセッサ３６は、超音波画像と一緒に標示するためのグラフィックオーバーレイも発生することができる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時及び撮像パラメータ等の標準的識別情報を含むことができる。これらの目的のために、該グラフィックプロセッサは、ユーザインターフェース３８から患者名等の入力を受信する。

上記ユーザインターフェースは、当該トランスジューサアレイ１０からの超音波信号の発生を、従って該トランスジューサアレイ及び当該超音波システムにより生成される画像を制御するために送信コントローラ１８にも結合される。該ユーザインターフェースは、複数の多面再フォーマット（ＭＰＲ）画像の画像フィールドにおいて定量化された測定法を実行するために使用することができる該複数の多面再フォーマット画像の面の選択及び制御のために多面再フォーマッタ４４にも結合することができる。

当業者により理解されるように、超音波診断撮像システムの上記実施態様は、このような超音波診断撮像システムの限定するものでない例を示すことを意図するものである。当業者によれば、当該超音波診断撮像システムのアーキテクチャの幾つかの変形例は、本発明の教示から逸脱することなく可能であることを即座に理解するであろう。例えば、上述した実施態様にも示されたように、マクロビーム形成器１２及び／又はドプラプロセッサ２８は省略することができ、超音波トランスジューサアレイ１０は３Ｄ撮像能力を有する必要はなく、等である。他の変形例も当業者によれば明らかであろう。

本発明の実施態様による超音波トランスジューサアレイ１０は、前述したようにカテーテルの一部を形成することができる。当業者により容易に理解されるように、このようなトランスジューサアレイは、例えば超音波プローブ、超音波マトリクスプローブ、超音波カテーテル及び超音波診断針（ニードル）等の任意のタイプの調査装置の一部を形成することができる。このような超音波トランスジューサアレイ１０は、任意の好適な超音波撮像技術においても用いることができる。

上述した実施態様は本発明を限定するというより解説するものであり、当業者であれば添付請求項の範囲から逸脱することなしに多くの代替実施態様を設計することができることに注意すべきである。請求項において、括弧内の如何なる符号も当該請求項を限定するものと見なしてはならない。“有する”なる文言は、請求項に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。単数形の要素は、複数の斯様な要素の存在を排除するものではない。本発明は、幾つかの異なる要素を有するハードウェアにより実施化することができる。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段のうちの幾つかはハードウェアの全く同一の品目により具現化することができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示すものではない。

Claims (15)

1. 圧潰動作モードに適した複数のＣＭＵＴセルを有するトランスジューサアレイであって、前記ＣＭＵＴセルの各々は基板により支持された第１電極及び膜体により支持された第２電極を有し、前記膜体は前記第１電極と前記第２電極との間の空洞上に懸架され、前記複数のＣＭＵＴセルが、
   各々が第１積層部を備えた膜体を有する第１グループのＣＭＵＴセルと、
   各々が、前記第１グループのＣＭＵＴセルと異なる共振周波数を有するように、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の層を含む第２積層部を備えた膜体を有する第２グループのＣＭＵＴセルと、
   を有し、
   前記第１グループのＣＭＵＴセルと前記第２グループのＣＭＵＴセルとが同一のバイアス電圧で圧潰することができるように、前記第１グループのＣＭＵＴセルの前記膜体は第１バネ定数を有する一方、前記第２グループのＣＭＵＴセルの前記膜体が前記第１バネ定数から２０％以下で相違する第２バネ定数を有する、
   トランスジューサアレイ。
2. 前記第２バネ定数が前記第１バネ定数とは１０％以下で相違する、請求項１に記載のトランスジューサアレイ。
3. 前記第１積層部が誘電体材料の層を第１の厚さで有し、且つ、
   前記第２積層部が前記誘電体材料の層を前記第１の厚さより小さな第２の厚さで有するか、又は
   前記第２積層部は、前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層が追加の層であることを除き、前記第１積層部と同一である、
   請求項１又は２に記載のトランスジューサアレイ。
4. 複数のトランスジューサ素子を有し、これらトランスジューサ素子の各々が前記第１グループの少なくとも１つのＣＭＵＴセル及び前記第２グループの少なくとも１つのＣＭＵＴセルを有する、請求項１ないし３の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
5. 前記第１グループのＣＭＵＴセルは、各々、第１直径を有し、前記第２グループのＣＭＵＴセルが、各々、前記第１直径とは異なる第２直径を有する、請求項１ないし４の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
6. 前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層が、７g/cm³を超える密度、好ましくは１０g/cm³を超える密度と、２００GPa未満のヤング率、好ましくは１００GPa未満のヤング率とを有する、請求項１ないし５の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
7. 前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層が金属層又は金属合金層であり、好ましくは、前記金属層は金層又はプラチナ層である、請求項１ないし６の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
8. 前記第１積層部における層の何れよりも高い密度を持つ材料の前記層が、パターン形成された層である、請求項１ないし７の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
9. 前記ＣＭＵＴセルは千鳥状アレイに配列され、該千鳥状アレイが、
   少なくとも１つのシリコンアイランド上の第１列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子と、
   少なくとも１つの他のシリコンアイランド上の第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子であって、前記第１列と前記第２列とはギャップにより隔てられていて、前記第２列は前記第１列に対して前記第２列のＣＭＵＴセルが前記第１列の連続するＣＭＵＴセルの間の間隔に部分的に配置されるように千鳥配列されている、第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子と、
   前記各シリコンアイランドを保持すると共に、導電性相互接続部を有する可撓箔と、
   を有する、請求項１ないし８の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ。
10. 前記第１グループのＣＭＵＴセル及び前記第２グループのＣＭＵＴセルが、各々、前記千鳥状アレイにおいて一定のピッチで配列される、請求項９に記載のトランスジューサアレイ。
11. 前記第１列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は対向する蛇行エッジを有する第１シリコンアイランドに配置され、これらエッジの各々は当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子のうちの１つの周りで外側に向かって蛇行すると共に当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の間の間隔へと内側に向かって蛇行し、
    前記第２列の間隔があいたＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子は対向する蛇行エッジを有する第２シリコンアイランドに配置され、これらエッジの各々は当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子のうちの１つの周りで外側に向かって蛇行すると共に当該ＣＭＵＴセル又はトランスジューサ素子の間の間隔へと内側に向かって蛇行し、
    前記第１シリコンアイランドは前記第２シリコンアイランドに対し、前記第１シリコンアイランドの外側に向かって蛇行するエッジ部分が前記第２シリコンアイランドの内側に向かって蛇行するエッジ部分へ入り込むように隣接して配置される、
    請求項９又は１０に記載のトランスジューサアレイ。
12. 請求項１ないし１１の何れか一項に記載のトランスジューサアレイと該トランスジューサアレイを制御するコントローラとを有する、装置。
13. 患者インターフェースモジュールと、請求項１ないし１１の何れか一項に記載のトランスジューサアレイ又は請求項１２に記載の装置とを有する、超音波撮像システム。
14. 超音波送信モード及び超音波受信モードの少なくとも一方の間において前記ＣＭＵＴセルを圧潰モードで動作させる電源を更に有する、請求項１３に記載の超音波撮像システム。
15. 請求項１３又は１４に記載の超音波撮像システムの作動方法であって、前記方法は、
    前記超音波撮像システムの超音波送信モードの間において前記ＣＭＵＴセルに制御信号を供給するステップであって、該制御信号が前記ＣＭＵＴセルを圧潰モードにさせるＤＣ成分及び圧潰されたＣＭＵＴセルを共振させるＡＣ成分を有し、前記第１グループのＣＭＵＴセル及び前記第２グループのＣＭＵＴセルが異なる共振周波数において共振するステップ、
    を有する、方法。

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