JP2015521409A - 二重電極を有する超広帯域幅変換器 - Google Patents

Abstract

広帯域幅圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）、ｐＭＵＴアレイ、及び広帯域幅ｐＭＵＴアレイを有するシステムを本明細書に説明する。例えば、圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）は、基板上に配置された圧電膜を含む。基準電極が、膜に結合される。第１及び第２の駆動／感知電極が膜に結合され、膜における第１及び第２のモードの振動を駆動又は感知する。【選択図】図１Ｂ

Description

〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２０１２年５月１日出願の「二重電極を有する超広帯域幅変換器」という名称の米国特許仮出願第６１／６４１，２００号及び「二重電極を有する超広帯域幅変換器」という名称の２０１３年３月１４日出願の米国特許出願第１３／８３０，２８８号の利益を主張するものであり、これらの内容全体は、これにより全ての目的に対してその全体が引用によって組み込まれる。

本発明の実施形態は、一般的に圧電変換器に関し、より具体的には、二重電極を有する超広帯域幅変換器に関する。

超音波圧電変換器デバイスは、典型的には、時変駆動電圧に応答して振動して変換器要素の露出外面に接触した伝播媒質（例えば、空気、水、又は身体組織）に高周波圧力波を発生させることができる圧電膜を含む。この高周波圧力波は、他の媒質の中に伝播することができる。同じ圧電膜はまた、伝播媒質から反射圧力波を受け入れ、受け入れた圧力波を電気信号に変換することもできる。電気信号は、駆動電圧信号と共に処理されて伝播媒質内の密度又は弾性係数の変動に関する情報を得ることができる。

圧電膜を使用する多くの超音波変換器デバイスは、バルク圧電材料を機械的にダイスカットすることにより、又は圧電セラミック結晶が注入されたキャリア材料を射出成形することによって形成されるが、デバイスは、有利な態様において、様々なマイクロマシニング技術（例えば、材料堆積、リソグラフィパターン化、エッチングによる特徴部形成、その他）を使用して超高寸法公差に対して廉価に製作することができる。従って、変換器要素の大きいアレイを使用することができ、アレイの個々のものは、ビーム形成アルゴリズムを通じて駆動される。そのようなアレイ式デバイスは、ｐＭＵＴアレイとして公知である。

従来のｐＭＵＴアレイに関する１つの問題は、バッキング層によって実施される減衰の関数である帯域幅が制限される場合があるということである。胎児心臓モニタリング及び動脈モニタリングのような超音波変換器用途は、広範囲の周波数（例えば、比較的より深い撮像機能を提供するより低い周波数及びより浅い撮像機能を提供するより高い周波数）に及ぶので、軸方向（すなわち、範囲）分解能は、バッキング層を通じた与えられたレベルの減衰に対してｐＭＵＴアレイの帯域幅を強化することによって有利に改善されると考えられる。

広帯域幅圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）、ｐＭＵＴアレイ、及び広帯域幅ｐＭＵＴアレイを有するシステムを本明細書に説明する。

実施形態において、ｐＭＵＴは、基板上に配置された圧電膜を含む。基準電位に保持された基準電極が、膜に結合される。第１及び第２の駆動／感知電極が膜に結合され、膜における第１及び第２のモードの振動を駆動及び／又は感知する。

別の実施形態において、媒質に圧力波を発生させて感知するための装置は、基板上に配置された圧電膜を有するｐＭＵＴを含む。基準電極が、膜に結合される。第１及び第２の駆動／感知電極が、膜に結合されて膜における第１及び第２のモードの振動を駆動及び／又は感知する。第１の信号発生器が、第１の駆動／感知電極に結合され、かつ基準電極に対して第１の駆動／感知電極上で第１の電気信号を駆動するように設けられる。第２の信号発生器が、第２の駆動／感知電極に結合され、かつ基準電極に対して第２の駆動／感知電極上で第２の電気信号を駆動するように設けられる。

別の実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、基板の区域にわたって配置された複数のセットの電極レールを含む。電極レールの各セットは、基準レールと１対の独立に電気的にアドレス可能な駆動／感知レールとを含む。ｐＭＵＴアレイはまた、別々の要素集団を有する複数の圧電変換器要素を含む。各要素集団は、電極レールのセットうちの１つに結合された１つよりも多い変換器要素を有する。圧電変換器要素の各々は、圧電膜を更に含む。ｐＭＵＴアレイはまた、膜に結合された基準電極と、基準レールとを含む。第１及び第２の駆動／感知電極は、膜にかつ駆動／感知電極レール対のそれぞれのものに結合される。

別の実施形態において、ｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動させる方法は、第１の電気信号を発生させる段階を含む。第２の電気信号も発生される。第１及び第２の信号のうちの１つの振幅及び位相のうちの少なくとも一方は、他方に対して調整される。第１の電気信号は、ｐＭＵＴの第１の駆動／感知電極に、かつ第２の電気信号は、ｐＭＵＴの第２の駆動／感知電極に印加され、第１及び第２のモードの振動の相対強度を制御する。

本発明の実施形態は、限定ではなく一例として示されており、図と共に考慮する時に以下の詳細説明を参照してより完全に理解することができる。

実施形態による円形膜を有するｐＭＵＴの平面図である。 実施形態による変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。 実施形態による楕円形膜を有するｐＭＵＴの平面図である。 実施形態による図１ＢのｐＭＵＴアレイに利用する変換器要素の断面図である。 実施形態による図１ＢのｐＭＵＴアレイに利用する変換器要素の断面図である。 実施形態による図１ＢのｐＭＵＴアレイに利用する変換器要素の断面図である。 実施形態によるａ−ａ’軸に沿った図１Ａの装置に類似する装置の作動中の断面図である。 実施形態によるａ−ａ’軸に沿った図１Ａの装置に類似する装置の作動中の断面図である。 実施形態による図３ＡのｐＭＵＴに対する性能メトリックのプロットの図である。 実施形態による図３ＢのｐＭＵＴに対する性能メトリックのプロットの図である。 実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイの平面図である。 図５Ａに示すｐＭＵＴアレイに対する性能メトリックのプロットの図である。 実施形態によりｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動させる方法の一部分を示す流れ図である。 実施形態によりｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動させる方法の別の部分を示す流れ図である。 本発明の実施形態によりｐＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置の機能ブロック図である。

以下の説明において、多くの詳細を説明する。しかし、本発明をこれらの具体的詳細なしに実施することができることは、当業者には明らかであろう。一部の事例において、公知の方法及びデバイスは、本発明を曖昧にすることを回避するために詳細ではなくブロック図の形態で示される。本明細書全体を通じて「実施形態」への参照は、その実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、機能、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所での語句「実施形態において」の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を参照するとは限らない。更に、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、１つ又はそれよりも多くの実施形態においてあらゆる適切な方式で組み合わせることができる。例えば、第１の実施形態は、２つの実施形態が相互に排他的でないどこでも第２の実施形態と組み合わせることができる。

具体的にそれ以外を定めない限り、「処理する」、「演算する」、「計算する」、又は「決定する」などのような用語は、コンピュータシステムのレジスタ及び／又はメモリ内で電子のような物理量として表されたデータを操作し、及び／又はコンピュータシステムのメモリ、レジスタ、又は他のそのような情報ストレージ、送信、又は表示デバイス内の物理量として同様に表された他のデータに変換するコンピュータ又はコンピュータシステム又は類似の電子コンピュータデバイスのアクション及び／又は処理を意味する。

用語「結合された」及び「接続された」は、それらの派生語と共に、構成要素間の構造的関係を説明するために本明細書に使用することができる。これらの用語は、互いの同義語を意図しないことを理解しなければならない。むしろ、特定の実施形態において、「接続された」は、２つ又はそれよりも多くの要素が互いに直接に物理的又は電気的に接触することを示すために使用することができる。「結合された」は、２つ又はそれよりも多くの要素が互いに直接又は間接（これらの間の他の介在要素により）のいずれかで物理的又は電気的に接触し、及び／又は２つ又はそれよりも多くの要素が互いに協働するか又は相互作用する（例えば、原因及び効果関係にあるような）ことを示すために使用することができる。

本明細書に使用する時の用語「の上に」、「の下に」、「の間に」、及び「上に」は、１つの構成要素又は材料層の他の構成要素又は層に対する相対位置を意味し、このような物理的関係は、アセンブリの関連で又は微小機械加工されたスタックの材料層の関連で機械的構成要素に関して注目すべきものである。別の層（構成要素）の上又は下に配置された１つの層（構成要素）は、他の層（構成要素）と直接に接触することができ、又は１つ又はそれよりも多くの介在層（構成要素）を有することができる。更に、２つの層（構成要素）の間に配置された１つの層（構成要素）は、２つの層（構成要素）と直接に接触することができ、又は１つ又はそれよりも多くの介在層（構成要素）を有することができる。対照的に、第２の層（構成要素）「上」の第１の層（構成要素）は、その第２の層（構成要素）と直接に接触する。

従来の圧電変換器設計は、典型的に、変換器の膜全体を覆う電極を含む。電極を使用して、膜の第１のモードの振動を励起して超音波を発生させる。それに反して、本発明の１つ又はそれよりも多くの実施形態により、１対の駆動／感知電極が使用される。１対の駆動／感知電極の各々は、別々の独立した電極レール又はバスに結合され、従って、基準電極に対して選択可能な振幅を有して２つの駆動信号間の選択可能な位相を有する別々の駆動信号によって独立電位まで駆動することができる。１つのこのような実施形態において、この配置は、第１及び第２の両方のモードの振動の利用を可能にする。第１及び第２の両方をアクセス可能にすることにより、改善された信号処理機能を変換器の受信モードに対して達成することができる。

以下により詳細に説明するように、実施形態において、変換器膜は、２つの駆動／感知電極、例えば、内側円形中実電極及び周方向環状電極によって励起される。これらの電極への入力の振幅及び位相を変えることにより、例えば、ビーム形成により、第１及び第２のモード形状の相対強度を制御することができる。更に、第１及び第２のモードの相互作用も制御することができる。実施形態において、このようなビーム形成手法を受信モードにおける出力信号に適用して低周波及び高周波成分の両方を提供する。二重駆動／感知電極チャネルを用いて達成される信号処理機能は、そこから導出される画像品質を大きく改善することができる。

実施形態において、第１及び第２の両方のモード形状を使用することにより、１００％よりも大きい比帯域幅が、以下により詳細に説明するように、最適超広帯域幅（ＵＷＢ）設計を使用して達成される。実施形態において、より高い共振周波数を有する第２のモード形状を使用することにより、高周波変換器は、第１のモード形状（例えば、より低い周波数応答）と同等の周波数を達成するのに必要であると考えられるものよりも比較的大きいサイズ（例えば、直径）の圧電膜を有することができる。より大きい圧電膜の使用は、その膜を使用する変換器の感度の改善を可能にすることができる。同じく、変換器の製作をより簡単にすることができ、又は比較的大きい圧電膜を組み込む場合に、変換器をより信頼性を有して作ることができる。１つのこのような実施形態において、より大きい圧電膜の高周波作動は、約２０ＭＨｚを超えるもの、例えば、約４０〜６０ＭＨｚの範囲で作動する高周波経静脈超音波（ＨＦ ＩＶＵＳ）デバイスにおける変換器又はそのアレイの使用を可能にする。

図１Ａは、実施形態によるｐＭＵＴ１００の俯瞰図である。ｐＭＵＴ１００は、基板１０１上に配置された圧電膜１１４を含む。第１及び第２の駆動／感知電極１０２及び１０３は、膜１１４に結合される。第１及び第２の駆動／感知電極１０２及び１０３は、図３及び図４に関連付けて以下により詳細に説明するように、膜１１４において第１及び第２のモードの振動を駆動又は感知するように設けられる。図１Ａには示していないが、基準電極は、図２Ａ〜図２Ｃとの関連において以下により詳細に説明するように、膜１１４に結合される。

図１Ａに示す例示的な実施形態において、圧電膜１１４は、円形又は回転楕円体幾何学形状を有する。１つのこのような実施形態において、第１の駆動／感知電極１０２は、図１Ａに示すように、膜１１４の直径よりも小さい直径を有し、膜１１４の中心に位置合わせされた中心１０４を有する円形又は回転楕円体幾何学形状を有する。１つのこのような実施形態において、第２の駆動／感知電極１０３は、中心が膜１１４の中心に位置合わせされ、膜１１４のものよりも小さく又は大きくすることができる外径を有し、かつ第１の駆動／感知電極１０２の外径よりも大きい内径を有し、間に間隔１０５を有して第１の駆動電極１０２の少なくとも一部分に外接する環状幾何学形状を有する。

実施形態において、膜１１４は円形であり、第１及び第２の駆動／感知電極１０２及び１０３は、同一平面上にあり、かつ圧電膜１１４の第１の側に配置される。１つのこのような実施形態において、基準電極は、圧電膜１１４の反対側に配置され、第２の駆動／感知電極１０３は、第１の駆動／感知電極１０２に結合された第１のリード１６５がそれを通して経路指定される不連続性を有する。実施形態において、第２のリード１６６は、第２の駆動／感知電極１０３に結合される。実施形態において、リード１６５は、図３Ａ及び図３Ｂに関連付けてより詳細に説明するように、基準電極に対して第１の駆動／感知電極１０２上で第１の電気信号を駆動するためのものである第１の信号発生器を含むか又はそれに結合される。リード１６６は、図３Ａ及び図３Ｂに関連付けてより詳細に説明するように、基準電極に対して第２の駆動／感知電極１０３上で第２の電気信号を駆動するためのものである第２の信号発生器を含むか又はそれに結合される。

図１Ｃに示す別の実施形態において、要素１０６は、楕円形膜を使用する。楕円形膜実施形態（又は膜が本明細書の他の箇所に説明するように非平面の静止状態を有する楕円形実施形態）は、潜在的により大きい曲線因子を提供し、かつ複数の駆動電極によって共振のより高いモード（第２、第３、その他）の中により容易に刺激することができる。楕円形実施形態に対して、第１の駆動／感知電極１０３は、実質的に円形の実施形態に対するもののように、楕円形膜の中心部分の中に経路指定された第２の駆動／感知電極１０２を用いてここでもまた分割される。駆動／感知電極１０２、１０３の周囲形状も楕円形の形態を有し、円形電極が円形膜形態に従う同じ方式で膜形態に適合することができる。

図１Ｂは、実施形態によるｐＭＵＴアレイ１０５の平面図である。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、実施形態による変換器要素の実施形態の断面図であり、そのいずれも、ｐＭＵＴ１００を表し、ｐＭＵＴアレイ１０５に更に利用することができる。

アレイ１０５は、それぞれ第１の次元ｘ及び第２の次元ｙによって定められた基板１０１の区域にわたって配置された複数の第１の電極レール１１０、１２０、１３０、１４０及び対応する第２の電極レール１１０’、１２０’、１３０’、１４０’を含む。駆動／感知電極レール対（例えば、対１１０、１１０’）の各々は、いずれかの他の駆動／感知電極レールから（例えば、互いから及び対１２０、１２０’又は対１３０、１３０’から）独立に電気的にアドレス可能である。駆動／感知電極レール対（例えば、対１１０、１１０’）及び基準（例えば、接地）電極レールは、図２Ａ〜図２Ｃの断面図に描かれている。図１Ｂにおいて、駆動／感知電極レール対１１０、１１０’及び駆動／感知電極レール対１２０、１２０’は、アレイ内の反復セルを表している。例えば、第１の端部１２７に結合された第１の駆動／感知電極レール対１１０、１１０’及び第２の端部１２８に結合された隣接する駆動／感知電極レール対１２０、１２０’により、互いに噛み合った指構造を形成する。駆動／感知電極レール対１３０、１３０’及び駆動／感知電極レール対１４０、１４０’は、追加のセルを用いて互いに噛み合った構造を繰り返し、任意的なサイズ（例えば、１２８レールの対、２５６レールの対、その他）の１Ｄ電極アレイを形成する。

実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、複数の圧電変換器要素集団を含む。各圧電変換器要素集団は、各要素集団内の個々の変換器要素の複合物である周波数応答と協調して作動するためのものである。実施形態において、与えられた要素集団内で、各変換器要素の駆動／感知電極は、全ての第１の駆動／感知電極が同じ電位にあり、同じく全ての第２の駆動／感知電極が同じ電位にあるように、レール対の一方の駆動／感知電極レールに並列に電気的に結合される。例えば、図１Ｂにおいて、変換器要素１１０Ａ、１１０Ｂ…１１０Ｌは、駆動／感知電極レール対１１０、１１０’に結合された駆動／感知電極対を有する。同様に、変換器要素１２０Ａ−１２０Ｌの第１及び第２の駆動／感知電極は、それぞれ駆動／感知電極レール対１２０、１２０’に並列に全て結合される。一般的に、いずれの数の圧電変換器要素も、アレイサイズ及び要素ピッチの関数として互いに集合体にすることができる。図１Ｂに示す実施形態において、各圧電変換器要素集団（例えば、１１０Ａ−１１０Ｌ）は、基板の幅Ｗ_１よりも少なくとも５倍、好ましくは、少なくとも１桁大きい基板の長さＬ_１にわたって配置される。要素集団がその上に配置される他の幾何学形状も、ｐＭＵＴアレイの各要素集団が、ビーム形成技術を集団レベルで適用することができるようにアレイ内で既知の空間関係を有するためのものであるという指針原理を用いて可能である。

実施形態において、各圧電変換器要素は圧電膜を含む。圧電膜は、一般的に、当業技術で通常であるあらゆる形状のものとすることができるが、例示的な実施形態において、圧電膜は回転対称性を有する。例えば、ｐＭＵＴアレイ１０５において、各変換器要素は、円形幾何学形状を有する圧電膜を含む。圧電膜は、ドーム（図２Ａによって更に示すように）又はディンプル（図２Ｂに更に示すように）を形成するように、更に第３の（ｚ）次元の曲率を有する回転楕円体とすることができる。平面膜も、図２Ｃに更に示すように可能であり、ここで変換器要素は、静止状態で平面である。

すなわち、実施形態において、ｐＭＵＴアレイは、基板の区域にわたって配置された複数のセットの電極レールを含む。各セットの電極レールは、基準レールと１対の独立に電気的にアドレス可能な駆動／感知レールとを含む。ｐＭＵＴアレイはまた、各変換器要素の基準電極に結合された基準電極レールを含む。ｐＭＵＴアレイ内に、別々の要素集団を有する複数の圧電変換器要素がある。実施形態において、各要素集団は、電極レールのセットのうちの１つに結合された１つよりも多い変換器要素を有し、第１及び第２の駆動／感知電極が、駆動／感知レールのそれぞれのものに圧電膜を結合する。

図２Ａ〜図２Ｃは、個々の変換器要素の例示的な微小機械加工された（すなわち、微小電気機械的）態様を示す図１Ｂのａ−ａ’軸に沿った断面図である。図２Ａ〜図２Ｃに示す構造は、本発明の特定の態様に対してかつ圧電変換器要素構造に対する本発明の広範な適用性を更に示す関連として主として含まれることは認められるものとする。

図２Ａにおいて、凸面変換器要素２０２は、作動中にｐＭＵＴアレイ１０５の振動外面の一部分を形成する上面２０４を含む。変換器要素２０２はまた、基板１０１の上面に取りつけられた底面２０６を含む。変換器要素２０２は、基準電極２１４、第１の駆動／感知電極１０２、及び第２の駆動／感知電極１０３の間に配置された凸面又はドーム形圧電膜２１０を含む。間隔１０５が、第１の駆動／感知電極１０２を第２の駆動／感知電極１０３から分離する。一実施形態において、圧電膜２１０は、例えば、平面上部面上に形成されたドームを有するプロファイル転写基板（例えば、フォトレジスト）上の均一層に圧電材料粒子を堆積させること（例えば、スパッタリング）によって形成することができる。例示的な圧電材料は、「チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）」であるが、以下に限定されることなく、ドープポリメチルメタクリレート（ＰＭＭ）ポリマー粒子及び窒化アルミニウム（ＡＩＮ）のような従来のマイクロマシン処理を受け入れる当業技術で公知のあらゆるものを利用することができる。駆動／感知電極１０２及び１０３、並びに基準電極２１４は、各々プロファイル−プロファイル転写基板上に堆積させた（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、その他により）導電材料の薄膜層とすることができる。駆動電極層の導電材料は、以下に限定されるものではないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ、その他のうちの１つ又はそれよりも多く、これらの合金（例えば、ＡｕＳｎ、ＩｒＩＴｉＷ、ＡｕＴｉＷ、ＡｕＮｉ、その他）、これらの酸化物（例えば、ＩｒＯ_２、ＮｉＯ_２、ＰｔＯ_２、その他）、又は２つ又はそれよりも多くのこのような材料の複合スタックのようなそのような機能に対して当業技術で公知のあらゆるものとすることができる。

図２Ａに更に示すように、一部の実施において、変換器要素２０２は、製作中に支持体及び／又はエッチストップとして機能することができる二酸化珪素のような薄膜層２２２を任意的に含むことができる。誘電材料膜２２４は、駆動／感知電極１０２及び１０３を基準電極２１４から更に隔離するように機能することができる。垂直に向けられた電気的相互接続部２２６は、駆動／感知電極レール１１０を通じて駆動／感知電極１０２を駆動／感知回路に接続する。類似の相互接続部２３２は、駆動／感知電極１０３をレール１１０’に接続する。図示していないが、基準電極２１４は、独立基準レールに結合することができる。変換器要素２０２のものと垂直に位置合わせされた対称線を有する孔２４１を有する環状支持体２３６は、圧電膜２１０を基板１０１に機械的に結合する。支持体２３６は、以下に限定されるものではないが、二酸化珪素、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、ＳｉＧｅなどのようなあらゆる従来の材料のものとすることができる。支持体２３６の例示的な厚みは１０〜５０μｍ及び膜２２４の例示的な厚みは５〜１５μｍに及んでいる。

図２Ｂは、変換器要素２０２の構造に機能的に類似する構造を同様の参照番号で識別する変換器要素２４２の別の例示的な構成を示している。変換器要素２４２は、静止状態で凹面である凹面圧電膜２５０を示している。ここで、基準電極２１４は、凹面圧電膜２５０の底面の下に配置されるが、駆動／感知電極２１２及び１０３は、上面の上に配置される。

図２Ｃは、変換器要素２０２の構造に機能的に類似する構造を同様の参照番号で識別する変換器要素２８２の別の例示的な構成を示している。変換器要素２６２は、静止状態で平面である平面圧電膜２９０を示し、要素２０２、２４２とは異なり、曲げモードで作動させ、従って、膜２７５（典型的には、シリコンのもの）を更に使用する。ここで、基準電極２１４は、平面圧電膜２９０の底面の下に配置されるが、駆動／感知電極１０２及び１０３は、上面の上に配置される。図２Ａ〜図２Ｃの各々に描かれたものと反対の電極構成も勿論可能である。

実施形態においてかつ図１Ａ並びに図３Ａ及び図３Ｂを参照して、作動中に、膜１１４Ａは、第１の共振周波数を有する第１のモードの振動と、第１の共振周波数のものよりも大きい第２の共振周波数を有する第２のモードの振動とを有する。例えば、図３Ａは、実施形態によるａ−ａ’軸に沿った装置１００に類似する装置の作動中の断面図である。膜２２２（これは、静止状態で平面、ドーム形、又は空洞とすることができる）は、支持体２３６によって支持され、駆動／感知電極対１０２及び１０３によって駆動され、駆動／感知電極対１０２及び１０３がそれに印加された同相の時変電圧（例えば、電極１０２及び１０３の両方に対する＋電圧、その他）を有する時に第１のモードの振動を提供する。図３Ｂは、別の実施形態によるａ−ａ’軸に沿った装置１００に類似する装置の作動中の断面図である。膜２２２（これは、静止状態で平面、ドーム形、又は空洞とすることができる）は、支持体２３６によって支持され、駆動／感知電極対１０２及び１０３によって駆動され、駆動／感知電極対１０２及び１０３がそれに印加された異相の時変電圧波形（例えば、＋電圧が電極１０２及び１０３の一方に印加されるが、−電圧が電極１０２及び１０３の他方に印加されるなど）を有する時に第２のモードの振動を提供する。第２のモードの振動は、より高周波（例えば、２ｘ）の基本又は第１のモードの振動のものであるので、より大きい膜サイズを使用して高周波レジームに達することができる。例えば、膜２２２の直径が２μｍよりも大きい特定の実施形態において、第１のモードの振動は、少なくとも１５ＭＨｚの第１の共振周波数を有し、第２のモードの振動は、３０〜６０ＭＨｚのような第１の共振周波数のものよりも大きい第２の共振周波数を有する。

図４Ａ及び図４Ｂは、実施形態による図３Ａ及び図３ＢのｐＭＵＴに対する性能メトリックのプロットである。図４Ａを参照して、一実施形態において、第１及び第２の信号発生器（例えば、図３Ａ及び図３Ｂのバイアス極性符号によって表される出力駆動信号位相を有する図１Ａからの発生器１６６、１６５）は、第１及び第２の電気信号を駆動し、２つの印加された駆動信号の相対駆動電圧振幅及び位相遅延に応じて第２の共振モード（ｆ_ｎ２）よりも多くの第１の共振モード（ｆ_ｎ１）の膜１１４又は２２２を励起するためのものである。図４Ｂを参照して、別の実施形態において、第１及び第２の信号発生器は、第１及び第２の電気信号を駆動し、２つの印加された駆動信号の相対駆動電圧振幅及び位相遅延に応じて第１の共振モード（ｆ_ｎ１）よりも多くの第２の共振モード（ｆ_ｎ２）の膜１１４又は２２２を励起するためのものである。

実施形態において、変換器装置は、第１及び第２の駆動電極に結合された信号プロセッサを更に含む。信号プロセッサは、第１及び第２のモードの膜振動によって発生する応答スペクトルの低周波成分及び高周波成分の両方を受信するために設けられる。第１及び第２のモードの振動の各々に関連付けられた応答の組合せは、実施形態において、２つの印加された駆動信号の相対駆動電圧振幅及び位相遅延を変更することによってほぼ等しい強度にすることを含め必要に応じて均衡を取ることができる。

実施形態において、圧電変換器要素集団は、複数の別々の共振周波数を提供するために異なる公称サイズの複数の圧電膜を含む。スペクトル応答は、広帯域幅を提供するようにｎの異なるサイズ（例えば、本明細書の他の箇所に説明する例示的な円形又は回転楕円体膜の膜直径）を積分することによって成形することができる。バルクＰＺＴ変換器とは異なり、ｐＭＵＴの共振周波数は、リソグラフィによる幾何学形状によって容易に調整することができる。従って、異なるサイズの高Ｑ膜は、異なる周波数応答を用いて統合され、与えられた要素集団から高い全帯域幅応答に達することができる。更に別の実施形態において、各変換器要素集団は、各集団からのスペクトル応答がほぼ同じであるように、同一のセットの変換器要素サイズを含む。

図５Ａは、実施形態による異なるサイズの変換器要素を有するｐＭＵＴアレイ５００の平面図である。ｐＭＵＴアレイ５００は、ｐＭＵＴアレイ１００と類似のレイアウトを有し、駆動／感知電極レール対１１０、１１０’及び１２０、１２０’は、ｘ次元（すなわち、１Ｄアレイ）に沿って互いに噛み合うように平行であるが反対方向に延びる（例えば、別々のバス又はインタフェースから）。１つの駆動／感知電極対（例えば、１１０、１１０’）に電気的に結合されるのは、２〜２０又はそれよりも多くの異なる膜サイズ（例えば、直径）を有する変換器要素である。直径の範囲は、一般的に、膜剛性及び質量の関数として望ましい周波数範囲に依存することになる。徐々に大きくなる膜の間の増分は、異なるサイズの膜の範囲及び数の関数とすることができ、より少ない周波数重なりが、より大きいサイズの増分に対して起こる。増分量を選択して、３ｄＢ帯域幅を維持する応答曲線に寄与する全ての変換器要素を保証することができる。一例として、２０〜１５０μｍの範囲は、図２Ａ〜図２Ｃとの関連で説明した全体構造を有する変換器からのＭＨｚ周波数応答に対して典型的であると考えられ、１〜１０μｍの増分は、典型的に、十分な応答重なりを提供すると考えられる。

変換器要素（すなわち、膜）サイズの数が増加する時に、特定の中心周波数での分解能は、同じサイズの要素間の距離が減少する時に下がると予想することができる。例えば、各圧電変換器要素集団の圧電膜が単一の縦列の中にある場合に（すなわち、中心が直線に沿って位置合わせされたもの）、長さＬ_１に沿った同じサイズの変換器の有効ピッチは、集団の各追加の変換器サイズと共に縮小する。従って、更に別の実施形態において、各圧電変換器要素集団は、各公称膜のサイズの１つよりも多い圧電変換器要素を含む。図５Ａに示す例示的な実施形態に対して、駆動／感知電極レール対１１０、１１０’に電気的に結合されるのは、第１のサイズ（例えば、最小直径膜）の圧電変換器要素５１１Ａ及び５１１Ｂ、第２のサイズ（例えば、次の最小直径膜）の要素５１２Ａ、５１２Ｂ、６つの異なるサイズの膜に対する要素５１３Ａ、５１３Ｂ、要素５１４Ａ、５１４Ｂ、要素５１５Ａ、５１５Ｂ、及び要素５１６Ａ、５１６Ｂである。図示のように、膜サイズは、隣接する要素を通じて段階的方式で徐々に増加及び／又は減少する。アレイの距離にわたる漸変的な膜サイズは、互いに近接する大幅に異なるサイズの第１及び第２の膜の間で可能な非建設的位相整合を軽減することが見出されている。換言すれば、集団の膜が異なるサイズのものである場合、２つの隣接する膜の間のサイズの差が集団の最大及び最小膜の間のサイズの差よりも小さくなるように、基板の上の集団を空間的に配置することが有利である。

図５Ａに更に示すように、変換器要素サブグループ５１８Ａは、要素集団を配置する基板の長さに沿って５１８Ｂとして繰り返される。各変換器要素サブグループ５１８Ａ、５１８Ｂは、各公称膜サイズの１つの圧電変換器要素を含む。この例示的な実施形態において、発見的レイアウトは、駆動／感知レール対１１０、１１０’に結合された要素集団が、異なるサイズの少なくとも１つの介在要素によって離間するが、１つの要素サブグループが占める基板の長さよりも大きくなく離間した同じサイズの変換器要素を有するようなものである。これは、信号の均一性を改善する効果を有する。図５Ａに更に示すように、類似の要素サブグループ５２８Ａは、様々な要素サイズを基板にわたってより均一に広げるように、要素サブグループ５１８Ａに対して駆動感知電極レール対１２０／１２０’の長さをシフトダウンする。この位置オフセットはまた、同じサイズの要素が最も近くにないことを保証することによって隣接する要素集団間のクロストークを低下させるのを補助する（例えば、５２６Ａは、要素５１６Ａ及び５１６Ｂの間のほぼ中間にある）。レール対１１０、１１０’及び１２０、１２０’の変換器要素集団は、次に、アレイフィールド全体を通じてレール対１３０、１３０’及び１４０、１４０’などに対して繰り返されるセルを含む。

図５Ｂは、例えば、サイズ１、サイズ２、及びサイズ３の直径の回転楕円体圧電膜を有する図５Ａに示すｐＭＵＴアレイに対する性能メトリックのプロットである。図５Ｂに示すように、スペクトル応答は、広帯域幅（３ｄＢコーナー周波数に対して）を有する累積応答によって３つの対のピークとして６つの対応する中心周波数ピークＦｎ_１、Ｆｎ_２、Ｆｎ_１’、Ｆｎ_２’、Ｆｎ_１”、Ｆｎ_２”を含む。ピークの各対、例えば、対Ｆｎ_１、Ｆｎ_２及びＦｎ_１’、Ｆｎ_２’及びＦｎ_１”、Ｆｎ_２”は、それぞれサイズ１、サイズ２、又はサイズ３の変換器の第１及び第２のモードのピークを表している。ｐＭＵＴアレイ５００のより広い帯域幅は、図４Ａ／図４Ｂに示すものと比較すると明らかである（単一サイズの要素を有するｐＭＵＴアレイ１００に対して）。

実施形態において、同じ電極レールに結合されてアレイのチャネルとして一緒に機能する要素の集団は、膜の２Ｄアレイを含む。従って、図１Ｂ及び図５Ｂに示す例示的な実施形態は、要素の単一線を含むが、このような線は、第２の次元（例えば、図１Ｂのｘ次元）で複製することができる。単一縦列の横列実施形態によって達成されるものよりも大きい曲線因子は、チャネル実施形態毎のそのような複数の横列、複数の縦列を用いて達成することができる。従って、より高い感度が可能である場合がある。

図６は、実施形態によりｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動するための駆動方法を示す流れ図である。

作動６０５を参照して、本方法の駆動部分は、第１の電気信号を発生させる段階を含む。作動６１０を参照して、第２の電気信号も発生させる。作動６１５を参照して、第１及び第２の信号のうちの１つの振幅及び位相のうちの少なくとも一方は、他方に対して調整される。作動６２０を参照して、第１の電気信号はｐＭＵＴの第１の駆動／感知電極に、第２の電気信号はｐＭＵＴの第２の駆動／感知電極に印加され、第１及び第２のモードの振動の相対強度を制御する。

実施形態において、図６に関連付けて説明する本方法を更に参照して、第１及び第２の電気信号を同相で印加し、第２のモードの振動に対する第１の周波数を有する第１のモードの振動の優位性を増大させる。これに代えて、第１及び第２の駆動信号を異相で印加し、第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２のモードの振動の優位性を増大させる。

図７は、実施形態によりｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動するための感知方法を示す流れ図である。作動７０５において、第１の電気応答信号は、第１の駆動／感知電極から受信される。作動７１０において、第２の電気応答信号は、第２の駆動／感知電極から受信される。作動７１５において、当業技術で公知のあらゆる信号処理が、第１及び第２の電気応答信号に実施され、累積周波数応答を発生させる。例えば、圧電膜の直径が、圧電変換器要素の１つの集団にわたって変動する場合、第１及び第２の電気応答信号は、圧電膜の各直径に対して受信され、それぞれ第１及び第２の電気応答信号に関連付けられた最低及び最高中心周波数の間を張る３ｄＢ帯域幅を有する累積周波数応答を提供するように処理される。

図８は、本発明の実施形態によりｐＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置８００の機能ブロック図である。実施形態において、超音波変換器装置８００は、水、組織物質などのような媒質に圧力波を発生させ、かつ感知するためのものである。超音波変換器装置８００は、医療診断、製品欠陥検出、その他におけるような１つ又は複数の媒質内の内部構造変動の撮像が関連する多くの用途を有する。装置８００は、少なくとも１つのｐＭＵＴアレイ８１６を含み、ｐＭＵＴアレイ８１６は、説明する変換器要素及び要素集団属性のいずれかを有する本明細書の他の箇所に説明するｐＭＵＴアレイのいずれかとすることができる。例示的な実施形態において、ｐＭＵＴアレイ８１６は、必要に応じてｐＭＵＴアレイ８１６の外面の向く方向及び位置を変えるために（例えば、撮像すべき区域に向ける）機械によって又は装置８００のユーザによって操作することができるハンドル部分８１４に収容される。電気コネクタ８２０は、ｐＭＵＴアレイ８１６のチャネルをハンドル部分８１４に対して外部の通信インタフェースに電気的に結合する。

実施形態において、装置８００は、例えば、電気コネクタ８２０によってｐＭＵＴアレイ８１６に結合される当業技術で公知のあらゆるものとすることができる信号発生器を含む。信号発生器は、要素の集団における各変換器要素に対して２つの別々の駆動／感知電極上に電気駆動信号を提供するためのものである。１つの特定の実施形態において、信号発生器は、電気駆動信号を印加し、圧電変換器要素集団を第１のモードの１０ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ及び第２のモードの２０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの周波数で共振させるためのものである。実施形態において、信号発生器は、その後に逆多重化器８０６によって逆多重化される制御信号を非直列化する非直列化回路８０４を含む。例示的な信号発生手段は、デジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）８０８を更に含み、ｐＭＵＴアレイ８１６において個々の変換器要素チャネルに対してデジタル制御信号を駆動電圧信号に変換する。それぞれの時間遅延をプログラマブル時間遅延コントローラ８１０によって個々の駆動電圧信号に追加し、各変換器要素の振動モードを変更し、別々の要素集団の応答を調整してビームステアリングし、又は望ましいビーム形状、フォーカス、及び方向、その他を生成することができる。ｐＭＵＴチャネルコネクタ８０２と信号発生手段の間に結合されるのは、駆動及び感知モードの間でｐＭＵＴアレイ８１６を切り換えるスイッチネットワーク８１２である。

実施形態において、装置８００は、例えば、電気コネクタ８２０によってｐＭＵＴアレイ８１６に結合される当業技術で公知のあらゆるものとすることができる信号受信機を含む。信号受信機は、ｐＭＵＴアレイ８１６において各変換器要素に対して２つの駆動／感知電極チャネルから電気感知信号を受信するためのものである。信号受信機の一実施形態において、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）８１４は、各変換器に対して２つの駆動／感知電極チャネルから電圧信号を受信してこれらをデジタル信号に変換するためのものである。デジタル信号は、次に、メモリ（描かず）に記憶されるか、又は最初に信号処理手段に通すことができる。例示的な信号処理手段は、デジタル信号を圧縮するデータ圧縮ユニット８２６を含む。マルチプレクサ８１８及び直列化回路８２８は、受信信号をメモリ、他のストレージ、又は受信信号に基づいてグラフ表示を生成することになる画像処理プロセッサのような下流プロセッサに中継する前に受信信号を更に処理することができる。

上記説明は、限定ではなく例示を意図することは理解されるものとする。例えば、図の流れ図は、本発明の実施形態によって実施される作動の特定の順序を示すが、このような順序は必須ではないことを理解しなければならない（例えば、代替実施形態は、異なる順序で作動を実施し、いくつかの作動を組合せ、いくつかの作動を重ねることができる等々）。更に、多くの他の実施形態は、上記説明を読んで理解すると当業者には明らかであろう。例えば、本明細書に説明する様々な実施形態は、ｐＭＵＴとの関連で全て示されているが、開示された構造又は技術のうちの１つ又はそれよりも多くは、他のタイプの超音波変換器アレイ及び実際に更に一般的には様々な他のＭＥＭ変換器アレイ、例えば、インクジェット技術におけるものに適用することができることは理解しなければならない。すなわち、ｐＭＵＴアレイは、ある一定の相乗効果及び属性を最も明確に説明することができるモデル実施形態として示されているが、本明細書の開示は、遥かに広範な用途を有する。すなわち、本発明は、特定の例示的な実施形態を参照して説明されたが、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の精神及び範囲で修正物及び代替物を用いて実施することができることは認識されるであろう。本発明の範囲は、従って、添付の特許請求の範囲を参照してこのような特許請求の範囲が権利を与える均等物の全範囲と共に決定されなければならない。

１０１ 基板
１０５ ｐＭＵＴアレイ
１１０、１２０、１４０ 第１の電極レール
１１０’、１２０’、１４０’ 第２の電極レール
Ｌ_１ 基板の長さ

Claims (19)

1. 基板上に配置された圧電膜と、
   前記膜に結合された基準電極と、
   前記膜に結合されて該膜における第１及び第２のモードの振動を駆動又は感知する第１及び第２の駆動／感知電極と、
   を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）。
2. 前記圧電膜は、円形又は回転楕円体又は楕円体幾何学形状を有し、かつ該膜の周囲で前記基板に係止され、
   前記第１の駆動／感知電極は、前記膜のものよりも小さい直径を有して該膜の中心に位置合わせされた中心を有する円形又は回転楕円体幾何学形状を有し、
   前記第２の駆動／感知電極は、前記膜の前記中心に位置合わせされた中心を有し、該膜のものよりも小さい外径を有し、かつ前記第１の駆動電極の少なくとも一部分に外接するように該第１の駆動／感知電極の外径よりも大きい内径を有する環状幾何学形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴ。
3. 前記膜は、回転対称性を有し、前記第１及び第２の駆動／感知電極は、同一平面上にあり、かつ該圧電膜の第１の側に配置され、
   前記基準電極は、前記圧電膜の反対側に配置される、
   ことを特徴とする請求項２に記載のｐＭＵＴ。
4. 前記第２の駆動／感知電極は、前記第１の駆動／感知電極に結合されたリードがそれを通して経路指定される不連続性を含むことを特徴とする請求項３に記載のｐＭＵＴ。
5. 前記膜の直径が、２μｍよりも大きく、
   第１モードの振動が、少なくとも４０ＭＨｚの第１の共振周波数を有し、
   第２モードの振動が、前記第１の共振周波数よりも高い第２の共振周波数を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のｐＭＵＴ。
6. 媒質に圧力波を発生させ、かつ感知するための装置であって、
   基板上に配置された圧電膜、
   前記膜に結合された基準電極、及び
   前記膜に結合されて該膜における第１及び第２のモードの振動を駆動又は感知する第１及び第２の駆動／感知電極、
   を更に含む圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）と、
   前記第１の駆動／感知電極に結合され、かつ前記基準電極に対して該第１の駆動／感知電極上で第１の電気信号を駆動する第１の信号発生器と、
   前記第２の駆動／感知電極に結合され、かつ前記基準電極に対して該第２の駆動／感知電極上の第２の電気信号を駆動する第２の信号発生器と、
   を含むことを特徴とする装置。
7. 前記第１及び第２の信号発生器は、前記第１及び第２の電気信号を同相で駆動して前記膜の第１の共振モードを第２の共振モードよりも多く励起するためのものであることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記第１及び第２の信号発生器は、前記第１及び第２の電気信号を異相で駆動して前記膜の第２の共振モードを第１の共振モードよりも多く励起するためのものであり、該第２のモードは、該第１の共振モードのものよりも高い共振周波数を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記第１及び第２の駆動電極に結合され、前記第１及び第２のモードで振動する前記膜に応答してスペクトルの低周波成分及び高周波成分の両方を受信する信号プロセッサを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 前記圧電膜は、円形又は回転楕円体幾何学形状を有し、かつ該膜の周囲で前記基板に係止され、
    前記第１の駆動／感知電極は、前記膜のものよりも小さい直径を有して該膜の中心に位置合わせされた中心を有する円形又は回転楕円体幾何学形状を有し、
    前記第２の駆動／感知電極は、前記膜の前記中心に位置合わせされた中心を有し、該膜のものよりも小さい外径を有し、かつ前記第１の駆動電極の少なくとも一部分に外接するように前記第１の駆動／感知電極の外径よりも大きい内径を有する環状幾何学形状を有する、
    ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
11. 基板の区域にわたって配置され、電極レールの各セットが基準レールと１対の独立に電気的にアドレス可能な駆動／感知レールとを含む複数のセットの電極レールと、
    各要素集団が前記電極レールのセットうちの１つに結合された１つよりも多い変換器要素を含む別々の要素集団を含む複数の圧電変換器要素であって、該圧電変換器要素の各々が、
    圧電膜、
    前記膜と前記基準レールとに結合された基準電極、及び
    前記膜にかつ前記駆動／感知レール対のそれぞれのものに結合された第１及び第２の駆動／感知電極、
    を更に含む前記複数の圧電変換器要素と、
    を含むことを特徴とする圧電微小超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイ。
12. 前記圧電膜は、円形又は回転楕円体幾何学形状を有し、かつ該膜の周囲で前記基板に係止され、
    前記第１の駆動／感知電極は、前記膜のものよりも小さい直径を有して該膜の中心に位置合わせされた中心を有する円形又は回転楕円体幾何学形状を有し、
    前記第２の駆動／感知電極は、前記膜の前記中心に位置合わせされた中心を有し、該膜のものよりも小さい外径を有し、かつ前記第１の駆動電極の少なくとも一部分に外接するように前記第１の駆動／感知電極の外径よりも大きい内径を有する環状幾何学形状を有する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のｐＭＵＴアレイ。
13. 前記圧電膜の前記直径は、圧電変換器要素の１つの集団にわたって変化することを特徴とする請求項１２に記載のｐＭＵＴアレイ。
14. １つの集団によって発生される累積周波数応答が、前記変換器の第１及び第２の共振モードに対応する最低及び最高中心周波数の間に連続３ｄＢ帯域幅を有することを特徴とする請求項１３に記載のｐＭＵＴアレイ。
15. 前記複数のセットの電極レールは、第１の次元にチャネルの線形アレイを形成し、
    要素集団における変換器が、第２の次元に沿ってかつ前記第１の次元に沿って位置合わせされて各チャネルに２Ｄ要素アレイを提供する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のｐＭＵＴアレイ。
16. 請求項１に記載のｐＭＵＴを用いて媒質に圧力波を発生させて感知するための装置を作動させる方法であって、
    第１の電気信号を発生させる段階と、
    第２の電気信号を発生させる段階と、
    第１及び第２の信号のうちの１つの振幅及び位相のうちの少なくとも一方を他方に対して調整する段階と、
    前記第１の電気信号を第１の駆動／感知電極にかつ前記第２の電気信号を第２の駆動／感知電極に印加して第１及び第２のモードの振動の相対強度を制御する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
17. 前記第１及び第２の電気信号は、同相で印加されて第１の周波数を有する前記第１のモードの振動の強度を前記第２のモードの振動の強度に対して増大させ、
    前記第１及び第２の信号は、異相で印加されて前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する前記第２のモードの振動の前記強度を該第１のモードの振動の前記強度に対して増大させる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記基準電極に対する前記第１の駆動／感知電極からの第１の電気応答信号を受信する段階と、
    前記基準電極に対する前記第２の駆動／感知電極からの第２の電気応答信号を受信する段階と、
    前記第１及び第２の電気応答信号を信号処理して累積周波数応答を発生させる段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 圧電膜の直径が、圧電変換器要素の１つの集団にわたって変化し、
    第１及び第２の電気応答信号が、前記圧電膜の各直径に対して受信され、
    前記累積周波数応答は、前記第１及び第２の電気応答信号の最低及び最高中心周波数の間に連続３ｄＢ帯域幅を有する、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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