JP4043882B2 - 可変の音響インピーダンスを有する超音波変換器ウェハー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に超音波変換器に関し、より詳細には可変の音響インピーダンスを有する超音波変換器ウェハー若しくは基板に関する。かかる超音波変換器は、例えば、医学分野の画像化の応用における超音波画像化システムを含むことができる。
【０００２】
【従来の技術】
超音波変換器は非常に利用可能であり、特に、非侵入性の医学的な診断画像化において有用である。超音波変換器は、一般的に、圧電気素子若しくは微細に機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子の何れかに形成される。圧電気素子は一般的に、変換器アレイを形成するために配列されている複数の素子を伴う、ジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴとして略される）などの圧電気セラミックからなる。ＭＵＴは、本質的に、シリコン基板上のエッジ周辺にサポートされている柔軟な膜からなる、適応性のある超音波変換器に帰着する、既知の半導体製造技術を用いて形成される。接触物質を電極の形態で膜、若しくは膜の一部、シリコン基板の穴の底面に適用することにより、次いで適切な電圧を電極の信号に適用することにより、ＭＵＴは適切な超音波の波が生成されるように活性化される。同様にして、電気的なバイアスがかけられる場合、ＭＵＴの膜は反射した超音波エネルギーを捕獲すること、及び受信信号を生成する、エネルギーを電気的にバイアスされた膜に移動に転送することによって超音波信号を受取るために使用されるかもしれない。
【０００３】
変換器素子は、追加的な制御電子を含有しているハウジングに可能なようにアセンブルされ、電子回路ボードの形態で、超音波プローブを形成する組合せで、変換器アセンブリを形成する制御回路を伴って組み合わせられるかもしれない。バルク波圧電素子（ｂｕｌｋ ｗａｖｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）若しくはＭＵＴの何れかを有し、様々な音響整合層、背面層、及び非整合層を含む超音波プローブは、身体の組織により超音波信号を送信し受信するために使用されるかもしれない。
【０００４】
過去において、圧電セラミック変換器素子若しくはＭＵＴ素子などの電気制御回路に対する音響センサーを接続することは制御回路に対する変換器配列の各素子を接続する多くの個々のワイヤーの使用を要求した。非常に多くの素子を有する大きな変換器アレイの場合、大きな配線引き具が要求された。不運にして、大きな配線引き具は超音波プローブのバルク及びコストを増大する。人体内で使用されるように設計される超音波プローブにおいて、超音波プローブと関連するケーブルの全体の大きさを削減することが望ましい。プローブ及びケーブルの大きさを縮減する一つの手法は、集積回路（ＩＣ）アセンブリ若しくは回路ボードに変換器コントロールエレクトロニクスを提供することである。変換器アレイに近接するＩＣは多くの小さな変換器素子から伝達し受信するために使用され、また信号を多重化するために使用されるかもしれない。それによりかさばって高価なケーブルを削減するか若しくは排除することは、一般的に超音波プローブ素子をコントロールエレクトロニクスに接続する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＣに変換器アレイを配置することは多大なパッケージング効率となるが、しかしながら、ＩＣ上の基板物質がすべての変換器素子と接触して形成するために、基板物質により変換器素子間に音響エネルギーの所望でない接続を頻繁に引き起こす。
【０００６】
したがって、ＩＣ及び回路ボードの基板による音響エネルギーの所望でない側音の伝播を削減若しくは排除する一方で、集積回路若しくは回路ボードに直接超音波変換器アレイの素子を接続する方法を有することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は可変の音響特質を有するウェハーを導く。ウェハーは、超音波変換器、ＩＣをその上に形成する基板として使用されるか、もしくは回路ボードとして使用される。ウェハー上に形成された超音波変換器は圧電セラミック変換器素子若しくはＭＵＴ素子を含むかもしれない。超音波変換器が形成されるための集積された制御回路でのウェハーの音響インピーダンスを制御することによって、ウェハーの音響インピーダンスは音響変換器の音響インピーダンスの要求に整合することができる。さらに、内部空間を加えることによって、ウェハーはウェハーによる音響エネルギーの側音の伝播を削減するか、若しくは排除する。
【０００８】
本発明の他のシステム、方法、特質及び利点は、添付図及び詳細な記載の説明において当業者に明らかとなるであろう。記載の範囲内に含まれるすべての追加的なシステム、方法、特質及び利点は本発明の範囲内であり、請求項により保護されることが意図されている。
【０００９】
請求項で定義される本発明は、添付図に関してより理解できる。図での構成部分は互いに関係する大きさである必要はなく、代わりに本発明の原理を明らかに例証することを強調する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて記載される本発明は、集積回路（ＩＣ）が形成できる基板に接続される圧電及び微細な機械加工の超音波変換器（ＭＵＴ）素子に適用可能である。
【００１１】
図１は超音波変換器１００の斜視図である。例証する目的のみにおいて、超音波変換器１００は圧電物質を用いて構成される、アレイとして言及される複数の素子を含んでいる。しかしながら、超音波変換器１００は添付の図３Ａ及び３Ｂに関して記載されるようにＭＵＴ素子を使用して組み立て可能である。複数の素子の典型的な一つは参照番号１１０によって与えられる。集合的な複数の変換器素子１１０は、超音波センサーを含んでいる。均一な間隔で例示されているが、変換器素子１１０は例証されているように間隔が置かれる必要はない。変換器素子１１０は、一つ以上の整合層（下記に記載される）を含み、集積回路（ＩＣ）（図１では示されてはいない）に付加される。パッケージング効率を最大化するために、ＩＣ上に変換器素子１１０を組み立てることが望ましい。ＩＣは本発明の態様と一致して構成される音響的に可変なウェハー１４５に組み立てられる。ウェハー１４５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を使用して組み立て可能であるか、若しくは代替として、制限しないが、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの他の基板物質を使用して組み立てできる。下記に記載のように、音響的に可変なウェハー１４５に二つのウェハー構成部分を共に接合することによって形成される。二つのウェハー構成部分はまた、個々のウェハーとして呼ばれる。
【００１２】
第一ウェハー構成部分１３０は、例えば、ダイシングソーを備えた溝を方形切断により成形されるか、若しくは第一ウエハー構成部分１３０上のパターンを生成する物質を削除するために選択的にエッチングすることによって形成される。パターンはウェハー上に形成されるであろう変換器アレイの特異的な適用及び形態において最適化できる。一つの実施態様において、パターンは複数のポスト及び空間を含む。第二ウェハー構成部分１２２は、好ましくは超薄ウェハーであり、第一ウェハー構成部分１３０に接合している。第一ウェハー構成部分１３０及び第二ウェハー構成部分１２２は、適切な剛さを有する音響的に可変なウェハー１４５を形成し、ＩＣ、ＭＵＴ、若しくはトレース及びバイアスを伴う回路ボードに続いて処理するために有用である。さらに詳細に下記に説明されるように、音響的に可変なウェハー１４５内のポスト若しくは空間上に変換器アレイ素子を位置することは、各変換器素子１１０により経験される音響インピーダンスを変化する。
【００１３】
ＩＣは音響的に可変なウェハー１４５上に形成される。音響的に可変なウェハー１４５は可変のインピーダンスを有して構成され、第二ウェハー構成部分１２２に接合される、第一ウェハー構成部分１３０としてここで呼ばれる音響的に可変な基板を含んでいる。下記に記載のように、例えば、第一ウェハー構成部分１３０は可変な音響インピーダンスを可能にする、例えば、ワッフル型の構造を含んでいる。第一ウェハー構成部分１３０に適用されるパターンはまた、音響的に可変なウェハー１４５内の音響エネルギーの側音の伝播を削減する。ＩＣは音響的に可変なウェハー１４５の表面に形成できる。さらに、ＩＣに代わって、音響的に可変なウェハー１４５はトレースを伴う回路ボードを含むかもしれないが、活発な回路類はない。一般的に、第一ウェハー構成部分１３０が形成される物質は第二ウェハー構成部分１２２が形成される物質と同一である。オプションとして、背面１４０は第一ウェハー構成部分１３０の背後に適用できる。背面１４０は音響吸収物質として作用する。
【００１４】
本発明の態様と一致し、下記の詳細な記載において、第一ウェハー構成部分１３０は、下記でポストと呼ばれる多くのサポート素子を定義する多くの穴を含んでいる。局所と同様に、平均的なアレイ素子１１０より下の音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスは大きさ、質量、形状、位置、及び穴のほかのパラメーターを変更することによって制御できる。さらに、第一ウェハー構成部分１３０内の穴は、音響エネルギーの伝播、若しくは波、音響的に可変なウェハー１４５による側音の移動を削減するか若しくは排除する。この整列は、個々の変換器素子１１０間の音響エネルギーの接続を削減する。音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスを変化することによって、音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスは変換器素子１１０の音響インピーダンスと整合することができる。さらに、第一ウェハー構成部分１３０に穴を追加することによって、変換器素子１１０間の音響エネルギーの側音のクロスカップリングは著しく削減されるか若しくは排除される。さらに、変換器素子１１０の音響インピーダンスに整合する音響的に可変なウェハー１４５の必要な音響インピーダンスを変化することによって、超音波変換器１１０のバンド幅は減少できる。
【００１５】
図２Ａは図１の変換器１００の一部分の断面の概略図である。変換器１００は複数の変換器素子１１０を含み、その各々は第一整合層１１１、第二整合層１１２、及び圧電素子１１５を含んでいる。二つの整合層１１１及び１１２を有して示されているが、変換器１００は、所望の適用に依存して、一つの整合層のみでなることができるか若しくは整合層を伴わないでなることができる。当業者に周知であるような整合層は、画像化される組織の音響インピーダンスに対して圧電素子１１５の音響インピーダンスが整合するように支援する。圧電素子１１５は、変換器の特質に整合する所望のインピーダンスに依存してすべてのＰＺＴセラミックを使用して組み立てられるか、若しくは合成圧電物質を使用して組み立てできる。
【００１６】
変換器素子１１０、及び特に圧電素子１１５は接合ライン１１８に沿ってＩＣ１２０と接合される。説明する目的において、下記の記載は、ＩＣ１２０が音響的に可変なウェハー１４５の表面で組み立てられることを仮定する。音響的に可変なウェハー１４５は、第一ウェハー構成部分１３０に第二ウェハー構成部分１２２を接合することによって組み立てられる。第二ウェハー構成部分１２２は、好ましくは“ミクロン”としてしばしば呼ばれる厚さである２００マイクロメートル（μｍ）以下のオーダーであり、周知の接合技術として知られている、例えば、陽極結合若しくは融合結合を用いて第一ウェハー構成部分１３０に結合できる。
【００１７】
多くの異なる方法論はＩＣ１２０に圧電素子１１５を結合するために使用でき、それらの多くは同一の日付で出願して、出願番号ＸＸＸＸＸ（事件整理番号１０００４００１）を割り当てられる、“Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ”という発明の名称が付けられた一般にアサインされる米国特許出願で開示される。
【００１８】
本発明と一致して、第一ウェハー構成部分１３０は複数の柱若しくはポスト１３２を定義する、複数の穴１３４を含んでいる。好ましくは、穴はダイシングソーを用いて第一ウェハー構成部分１３０に切り込むか、若しくは当業者に周知であるエッチング技術を用いて第一ウェハー構成部分１３０に化学的にエッチングする。好ましくは、穴１３４はおよそ５０乃至１００マイクロメートル（μｍ）の幅で２５０乃至４５０μｍの深さで形成される。しかしながら、音響的に可変なウェハー１４５の望ましい音響的特質に依存して、他の穴の大きさが可能である。
【００１９】
図２Ａに示される実施例において、各変換器素子１１０はポスト１３２の一つの上に存在する。穴１３４の物理的な特質を変化することによって、したがって第一ウェハー構成部分１３０の音響特質及び音響的に可変なウェハー１４５は変化できる。この手法において、全体の超音波変換器１００の音響特質は変化でき、これによって制御できる。第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスは素子１１０の音響インピーダンスと整合するように設計できる。
【００２０】
本発明の別の態様と一致して、第一ウェハー構成部分１３０内の穴１３４は、音響的に可変なウェハー１４５により側音に移動する音響波の伝播を削減するか若しくは除外する。この手法において、音響的に可変なウェハー１４５により素子１１０間の音響エネルギーの接続は著しく削除されるか若しくは排除される。
【００２１】
穴１３４が第一ウェハー構成部分１３０に形成された後に、第二ウェハー構成部分１２２はライン１２５に沿って第一ウェハー構成部分１３０に接続され、したがって音響的に可変なウェハー１４５を形成する。この実施例において、第二ウェハー構成部分１２２及び第一ウェハー構成部分１３０の両者はシリコンである。したがって、第二ウェハー構成部分１２２は、例えば、陽極結合を使用して第一ウェハー構成部分１３０に接続できる。代替として、融合結合、若しくは当業者が周知の他の技術を使用して第二ウェハー構成部分１２２を第一ウェハー構成部分１３０に接続できる。これは、穴１３４の形態により定義される音響インピーダンスを有する音響的に可変なウェハー１４５の結果となる。
【００２２】
第二ウェハー構成部分１２２が第一ウェハー構成部分１３０に接合後、ＩＣ１２０は従来のＩＣ組み立て方法を用いて第二ウェハー構成部分１２２の露出している表面に形成される。プロファイルにおいて、ＩＣ１２０は音響的に可変なウェハー１４５の厚さと比較して非常に薄い。ＩＣ１２０の形成後、圧電素子１１５を形成する物質は、既に記載のようにライン１１８に沿ってＩＣ１２０の表面に接合される。次いで、整合層１１２及び１１１は圧電素子１１５上に適用され、次いで、変換器素子１１０は、例えば、方形切断若しくはエッチングにより形成される。
【００２３】
超音波変換器１００の所望の特性に依存して、第一ウェハー構成部分１３０に第二ウェハー構成部分１２２を組み立てることに先だって、穴１３４は空気若しくは不活性ガスで満たすことができる。代替として、第二ウェハー構成部分１２２は真空内で第一ウェハー構成部分１３０に接合でき、その結果、穴１３４内のガスは周辺エリアの圧力よりも低くできる。
【００２４】
下記に続く議論は第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスにおける一つの手法を例証し、したがって、音響的に可変なウェハー１４５は変換器素子１１０の音響インピーダンスと整合するために変化できる。シリコンはおよそ１９Ｍｒａｙｌｓ（Ｍｒａｙｌは音響インピーダンスを測定する単位である）の音響インピーダンスを有し、圧電セラミック（各圧電素子１１５の物質が形成される）はおよそ３３Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有していると仮定する。音響的に可変なウェハー１４５（シリコン）の音響インピーダンスが圧電素子１１５（圧電セラミック）の音響インピーダンスと整合することが望ましいことを仮定する。圧電セラミックのインピーダンスの削減は、およそ１９Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有する圧電セラミック及び様々なポリマーの合成物を使用することによって行なわれる。これは、圧電素子１１５とＩＣ１２０間のインターフェイス１１８での反射を防御する。本発明の態様にしたがって、シリコンインターフェイス（第二ウェハー構成部分１２２が、第一ウェハー構成部分１３０に接合する表面１２５）の背面で音響の反射を防ぐことは、音響的に可変なウェハー１４５がポスト１３２及び穴１３４を定義することで定義され、その結果、第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスは圧電素子１１５の音響インピーダンスと整合する。
【００２５】
音響背面１４０は、音響的に可変なウェハー１４５により移動する音響エネルギーを吸収するために、第一ウェハー構成部分１３０の背面に付加される。
【００２６】
図２Ｂは図２Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。超音波変換器１００に関する前述の記載と同様に、超音波変換器１５０は圧電素子１１５上の第一整合層１１１及び第二整合層１１２を含んでいる。圧電素子１１５は圧電セラミックであるか、若しくは既に記載のような圧電合成物質である。第一整合層１１１、第二整合層１１２及び圧電素子１１５は変換器素子１１０を含んでいる。各変換器素子１１０は前述に記載と同様の手法でＩＣ１２０に付加されている。
【００２７】
図２Ａに関する前述の記載と同様な手法において、第一ウェハー構成部分１６０は方形切断、エッチング若しくは他の当業者に周知の技術の何れかによってそこに形成される複数の穴１６４を有する。穴１６４は複数のポスト１６２を定義する。しかしながら、図２Ｂに記載の実施態様において、各変換器素子１１０は１つの穴１６４の上に位置する。既に言及したように、穴１６４の各々は空気、不活性ガスで満たされ、若しくは真空で形成され、このように真空若しくはガスが背面に存在する超音波変換器１５０を作り出す。ガスが背面に存在する超音波変換器１５０は高い効率で幅広いバンド幅の操作を提供する。前述に記載と同様に、穴１６４は第一ウェハー構成部分１６０の音響インピーダンスを変化するために設計でき、したがって、音響的に可変なウェハー１６５の音響インピーダンスはまた、音響的に可変なウェハー１６５により音響エネルギーの伝達を側音で削除若しくは排除する。
【００２８】
図３Ａは、微細な機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子を含有し、本発明の態様と一致して構成された変換器２００を例示する断面の概略図である。超音波変換器２００は複数のＭＵＴ２１０が形成される音響的に可変なウェハー２５０を有している。各ＭＵＴ素子は複数のＭＵＴセル（示されていない）を含んでいる。音響的に可変なウェハー２５０は、ＭＵＴ２１０が形成される基板を形成する、第一ウェハー構成部分２３０及び第二ウェハー構成部分２２０を含んでいる。第二ウェハー構成部分２２０は前述に記載の第二ウェハー構成部分１２２と同様であり、シリコン若しくは他の半導体基板物質であるかもしれない。
【００２９】
本発明の態様と一致して、第二ウェハー構成部分２２０の接合に先だって、穴２３４は第一ウェハー構成部分２３０に形成され、示された構造を有する音響的に可変なウェハー２５０に帰着する。各穴２３４はエッチングされるか若しくは第一ウェハー構成部分２３０に切り込まれることができ、好ましくはおよそ５０乃至１００マイクロメートル（μｍ）幅及び２５０乃至４５０μｍの深さである穴２３４を作り出す。
【００３０】
第一ウェハー構成部分２３０に穴２３４の形成後、第二ウェハー構成部分２２０はライン２２５に沿って第一ウェハー構成部分２３０に接合され、したがって音響的に可変なウェハー２５０を形成する。音響的に可変なウェハー２５０がこのように形成された後、当業者にとって周知のようにＭＵＴ素子２１０は音響的に可変なウェハー２５０の表面上に組み立てられる。第一ウェハー構成部分２３０はシリコン若しくは超音波変換器２００の望ましい音響性能に依存する任意の他の基板の何れかである得る。第二ウェハー構成部分２２０は、例えば、陽極結合若しくは融合結合を用いて第一ウェハー構成部分２３０に接合される。さらに、この実施例において、他のシリコンとシリコンの接合技術が使用できる。
【００３１】
前述に記載のように、音響分離を提供し、音響的に可変なウェハー２５０で移動している音響エネルギーを側音で多大に削減若しくは排除するために、穴２３４は空気、ガスで満たされ、真空となることができる。これは音響カップリングを多大に削減し、このようしてＭＵＴ素子２１０間の音響のクロストークを削減する。図３Ａに示されているように、各ＭＵＴ素子２１０は一つのポスト２３４上に位置する。穴２３４の大きさ、形状、位置、及び質量を変更することにより、第一ウェハー構成部分２３０の音響インピーダンス、及び特に各ポスト２３２の音響インピーダンスは、ＭＵＴ変換器素子の音響インピーダンスが背面物質の範囲と整合するために設計できる。既に記載したように、背面２４０は音響的に可変なウェハーにより移動する音響エネルギーを吸収するために第一ウェハー構成部分に適用できる。
【００３２】
図３Ｂは図３Ａの超音波変換器２００の代替となる実施態様２５５を例示する断面の概略図である。図３Ｂに示されているように、第一ウェハー構成部分２６０は複数のポスト２６２を定義する複数の穴２６４を含んでいる。しかしながら、この実施態様において、各ＭＵＴ素子２１０は一つの穴２６４上に位置している。
【００３３】
本発明の原理から逸脱せず既に記載のように多くの修正及び変化が本発明になされることは当業者にとって明らかであるだろう。例えば、本発明は圧電セラミック及びＭＵＴ変換器素子を備えて使用できる。さらに、本発明は、例えば、シリコン及びゲルマニウムを含有している異なる基盤物質に適用可能である。すべてのこのような修正及び変化は、ここに含まれるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハーに形成される超音波変換器アレイの斜視図である。
【図２Ａ】図１の変換器の一部の断面の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。
【図３Ａ】微細な機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子を含有し、本発明の態様と一致して構成された変換器を例示する断面の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。
【符号の説明】
１００ 超音波変換器
１１０ 変換器素子
１２２ 第二ウェハー構成部分
１３０ 第一ウェハー構成部分
１４０ 背面
１４５ 音響的に可変なウェハー
１１１ 第一整合層
１１２ 第二整合層
１１５ 圧電素子
１１８ 接合ライン
１２０ ＩＣ
１２５ 接合する表面
１３２ ポスト
１３４ 穴
１５０ 超音波変換器
１６０ 第一ウェハー構成部分
１６２ ポスト
１６４ 穴
１６５ 音響的に可変なウェハー
２００ 超音波変換器
２１０ ＭＵＴ
２２０ 第二ウェハー構成部分
２２５ ライン
２３０ 第一ウェハー構成部分
２３２ ポスト
２４０ 背面
２５０ 音響的に可変なウェハー
２５５ 超音波変換器２００の代替となる実施態様
２６０ 第一ウェハー構成部分
２６２ ポスト
２６４ 穴
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に超音波変換器に関し、より詳細には可変の音響インピーダンスを有する超音波変換器ウェハー若しくは基板に関する。かかる超音波変換器は、例えば、医学分野の画像化の応用における超音波画像化システムを含むことができる。
【０００２】
【従来の技術】
超音波変換器は非常に利用可能であり、特に、非侵入性の医学的な診断画像化において有用である。超音波変換器は、一般的に、圧電気素子若しくは微細に機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子の何れかに形成される。圧電気素子は一般的に、変換器アレイを形成するために配列されている複数の素子を伴う、ジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴとして略される）などの圧電気セラミックからなる。ＭＵＴは、本質的に、シリコン基板上のエッジ周辺にサポートされている柔軟な膜からなる、適応性のある超音波変換器に帰着する、既知の半導体製造技術を用いて形成される。接触物質を電極の形態で膜、若しくは膜の一部、シリコン基板の穴の底面に適用することにより、次いで適切な電圧を電極の信号に適用することにより、ＭＵＴは適切な超音波の波が生成されるように活性化される。同様にして、電気的なバイアスがかけられる場合、ＭＵＴの膜は反射した超音波エネルギーを捕獲すること、及び受信信号を生成する、エネルギーを電気的にバイアスされた膜に移動に転送することによって超音波信号を受取るために使用されるかもしれない。
【０００３】
変換器素子は、追加的な制御電子を含有しているハウジングに可能なようにアセンブルされ、電子回路ボードの形態で、超音波プローブを形成する組合せで、変換器アセンブリを形成する制御回路を伴って組み合わせられるかもしれない。バルク波圧電素子（ｂｕｌｋ ｗａｖｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）若しくはＭＵＴの何れかを有し、様々な音響整合層、背面層、及び非整合層を含む超音波プローブは、身体の組織により超音波信号を送信し受信するために使用されるかもしれない。
【０００４】
過去において、圧電セラミック変換器素子若しくはＭＵＴ素子などの電気制御回路に対する音響センサーを接続することは制御回路に対する変換器配列の各素子を接続する多くの個々のワイヤーの使用を要求した。非常に多くの素子を有する大きな変換器アレイの場合、大きな配線引き具が要求された。不運にして、大きな配線引き具は超音波プローブのバルク及びコストを増大する。人体内で使用されるように設計される超音波プローブにおいて、超音波プローブと関連するケーブルの全体の大きさを削減することが望ましい。プローブ及びケーブルの大きさを縮減する一つの手法は、集積回路（ＩＣ）アセンブリ若しくは回路ボードに変換器コントロールエレクトロニクスを提供することである。変換器アレイに近接するＩＣは多くの小さな変換器素子から伝達し受信するために使用され、また信号を多重化するために使用されるかもしれない。それによりかさばって高価なケーブルを削減するか若しくは排除することは、一般的に超音波プローブ素子をコントロールエレクトロニクスに接続する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＣに変換器アレイを配置することは多大なパッケージング効率となるが、しかしながら、ＩＣ上の基板物質がすべての変換器素子と接触して形成するために、基板物質により変換器素子間に音響エネルギーの所望でない接続を頻繁に引き起こす。
【０００６】
したがって、ＩＣ及び回路ボードの基板による音響エネルギーの所望でない側音の伝播を削減若しくは排除する一方で、集積回路若しくは回路ボードに直接超音波変換器アレイの素子を接続する方法を有することが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は可変の音響特質を有するウェハーを導く。ウェハーは、超音波変換器、ＩＣをその上に形成する基板として使用されるか、もしくは回路ボードとして使用される。ウェハー上に形成された超音波変換器は圧電セラミック変換器素子若しくはＭＵＴ素子を含むかもしれない。超音波変換器が形成されるための集積された制御回路でのウェハーの音響インピーダンスを制御することによって、ウェハーの音響インピーダンスは音響変換器の音響インピーダンスの要求に整合することができる。さらに、内部空間を加えることによって、ウェハーはウェハーによる音響エネルギーの側音の伝播を削減するか、若しくは排除する。
【０００８】
本発明の他のシステム、方法、特質及び利点は、添付図及び詳細な記載の説明において当業者に明らかとなるであろう。記載の範囲内に含まれるすべての追加的なシステム、方法、特質及び利点は本発明の範囲内であり、請求項により保護されることが意図されている。
【０００９】
請求項で定義される本発明は、添付図に関してより理解できる。図での構成部分は互いに関係する大きさである必要はなく、代わりに本発明の原理を明らかに例証することを強調する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて記載される本発明は、集積回路（ＩＣ）が形成できる基板に接続される圧電及び微細な機械加工の超音波変換器（ＭＵＴ）素子に適用可能である。
【００１１】
図１は超音波変換器１００の斜視図である。例証する目的のみにおいて、超音波変換器１００は圧電物質を用いて構成される、アレイとして言及される複数の素子を含んでいる。しかしながら、超音波変換器１００は添付の図３Ａ及び３Ｂに関して記載されるようにＭＵＴ素子を使用して組み立て可能である。複数の素子の典型的な一つは参照番号１１０によって与えられる。集合的な複数の変換器素子１１０は、超音波センサーを含んでいる。均一な間隔で例示されているが、変換器素子１１０は例証されているように間隔が置かれる必要はない。変換器素子１１０は、一つ以上の整合層（下記に記載される）を含み、集積回路（ＩＣ）（図１では示されてはいない）に付加される。パッケージング効率を最大化するために、ＩＣ上に変換器素子１１０を組み立てることが望ましい。ＩＣは本発明の態様と一致して構成される音響的に可変なウェハー１４５に組み立てられる。ウェハー１４５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を使用して組み立て可能であるか、若しくは代替として、制限しないが、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）などの他の基板物質を使用して組み立てできる。下記に記載のように、音響的に可変なウェハー１４５に二つのウェハー構成部分を共に接合することによって形成される。二つのウェハー構成部分はまた、個々のウェハーとして呼ばれる。
【００１２】
第一ウェハー構成部分１３０は、例えば、ダイシングソーを備えた溝を方形切断により成形されるか、若しくは第一ウエハー構成部分１３０上のパターンを生成する物質を削除するために選択的にエッチングすることによって形成される。パターンはウェハー上に形成されるであろう変換器アレイの特異的な適用及び形態において最適化できる。一つの実施態様において、パターンは複数のポスト及び空間を含む。第二ウェハー構成部分１２２は、好ましくは超薄ウェハーであり、第一ウェハー構成部分１３０に接合している。第一ウェハー構成部分１３０及び第二ウェハー構成部分１２２は、適切な剛さを有する音響的に可変なウェハー１４５を形成し、ＩＣ、ＭＵＴ、若しくはトレース及びバイアスを伴う回路ボードに続いて処理するために有用である。さらに詳細に下記に説明されるように、音響的に可変なウェハー１４５内のポスト若しくは空間上に変換器アレイ素子を位置することは、各変換器素子１１０により経験される音響インピーダンスを変化する。
【００１３】
ＩＣは音響的に可変なウェハー１４５上に形成される。音響的に可変なウェハー１４５は可変のインピーダンスを有して構成され、第二ウェハー構成部分１２２に接合される、第一ウェハー構成部分１３０としてここで呼ばれる音響的に可変な基板を含んでいる。下記に記載のように、例えば、第一ウェハー構成部分１３０は可変な音響インピーダンスを可能にする、例えば、ワッフル型の構造を含んでいる。第一ウェハー構成部分１３０に適用されるパターンはまた、音響的に可変なウェハー１４５内の音響エネルギーの側音の伝播を削減する。ＩＣは音響的に可変なウェハー１４５の表面に形成できる。さらに、ＩＣに代わって、音響的に可変なウェハー１４５はトレースを伴う回路ボードを含むかもしれないが、活発な回路類はない。一般的に、第一ウェハー構成部分１３０が形成される物質は第二ウェハー構成部分１２２が形成される物質と同一である。オプションとして、背面１４０は第一ウェハー構成部分１３０の背後に適用できる。背面１４０は音響吸収物質として作用する。
【００１４】
本発明の態様と一致し、下記の詳細な記載において、第一ウェハー構成部分１３０は、下記でポストと呼ばれる多くのサポート素子を定義する多くの穴を含んでいる。局所と同様に、平均的なアレイ素子１１０より下の音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスは大きさ、質量、形状、位置、及び穴のほかのパラメーターを変更することによって制御できる。さらに、第一ウェハー構成部分１３０内の穴は、音響エネルギーの伝播、若しくは波、音響的に可変なウェハー１４５による側音の移動を削減するか若しくは排除する。この整列は、個々の変換器素子１１０間の音響エネルギーの接続を削減する。音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスを変化することによって、音響的に可変なウェハー１４５の音響インピーダンスは変換器素子１１０の音響インピーダンスと整合することができる。さらに、第一ウェハー構成部分１３０に穴を追加することによって、変換器素子１１０間の音響エネルギーの側音のクロスカップリングは著しく削減されるか若しくは排除される。さらに、変換器素子１１０の音響インピーダンスに整合する音響的に可変なウェハー１４５の必要な音響インピーダンスを変化することによって、超音波変換器１１０のバンド幅は減少できる。
【００１５】
図２Ａは図１の変換器１００の一部分の断面の概略図である。変換器１００は複数の変換器素子１１０を含み、その各々は第一整合層１１１、第二整合層１１２、及び圧電素子１１５を含んでいる。二つの整合層１１１及び１１２を有して示されているが、変換器１００は、所望の適用に依存して、一つの整合層のみでなることができるか若しくは整合層を伴わないでなることができる。当業者に周知であるような整合層は、画像化される組織の音響インピーダンスに対して圧電素子１１５の音響インピーダンスが整合するように支援する。圧電素子１１５は、変換器の特質に整合する所望のインピーダンスに依存してすべてのＰＺＴセラミックを使用して組み立てられるか、若しくは合成圧電物質を使用して組み立てできる。
【００１６】
変換器素子１１０、及び特に圧電素子１１５は接合ライン１１８に沿ってＩＣ１２０と接合される。説明する目的において、下記の記載は、ＩＣ１２０が音響的に可変なウェハー１４５の表面で組み立てられることを仮定する。音響的に可変なウェハー１４５は、第一ウェハー構成部分１３０に第二ウェハー構成部分１２２を接合することによって組み立てられる。第二ウェハー構成部分１２２は、好ましくは“ミクロン”としてしばしば呼ばれる厚さである２００マイクロメートル（μｍ）以下のオーダーであり、周知の接合技術として知られている、例えば、陽極結合若しくは融合結合を用いて第一ウェハー構成部分１３０に結合できる。
【００１７】
多くの異なる方法論はＩＣ１２０に圧電素子１１５を結合するために使用でき、それらの多くは同一の日付で出願して、出願番号ＸＸＸＸＸ（事件整理番号１０００４００１）を割り当てられる、“Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ａｔｔａｃｈｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｏ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ”という発明の名称が付けられた一般にアサインされる米国特許出願で開示される。
【００１８】
本発明と一致して、第一ウェハー構成部分１３０は複数の柱若しくはポスト１３２を定義する、複数の穴１３４を含んでいる。好ましくは、穴はダイシングソーを用いて第一ウェハー構成部分１３０に切り込むか、若しくは当業者に周知であるエッチング技術を用いて第一ウェハー構成部分１３０に化学的にエッチングする。好ましくは、穴１３４はおよそ５０乃至１００マイクロメートル（μｍ）の幅で２５０乃至４５０μｍの深さで形成される。しかしながら、音響的に可変なウェハー１４５の望ましい音響的特質に依存して、他の穴の大きさが可能である。
【００１９】
図２Ａに示される実施例において、各変換器素子１１０はポスト１３２の一つの上に存在する。穴１３４の物理的な特質を変化することによって、したがって第一ウェハー構成部分１３０の音響特質及び音響的に可変なウェハー１４５は変化できる。この手法において、全体の超音波変換器１００の音響特質は変化でき、これによって制御できる。第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスは素子１１０の音響インピーダンスと整合するように設計できる。
【００２０】
本発明の別の態様と一致して、第一ウェハー構成部分１３０内の穴１３４は、音響的に可変なウェハー１４５により側音に移動する音響波の伝播を削減するか若しくは除外する。この手法において、音響的に可変なウェハー１４５により素子１１０間の音響エネルギーの接続は著しく削除されるか若しくは排除される。
【００２１】
穴１３４が第一ウェハー構成部分１３０に形成された後に、第二ウェハー構成部分１２２はライン１２５に沿って第一ウェハー構成部分１３０に接続され、したがって音響的に可変なウェハー１４５を形成する。この実施例において、第二ウェハー構成部分１２２及び第一ウェハー構成部分１３０の両者はシリコンである。したがって、第二ウェハー構成部分１２２は、例えば、陽極結合を使用して第一ウェハー構成部分１３０に接続できる。代替として、融合結合、若しくは当業者が周知の他の技術を使用して第二ウェハー構成部分１２２を第一ウェハー構成部分１３０に接続できる。これは、穴１３４の形態により定義される音響インピーダンスを有する音響的に可変なウェハー１４５の結果となる。
【００２２】
第二ウェハー構成部分１２２が第一ウェハー構成部分１３０に接合後、ＩＣ１２０は従来のＩＣ組み立て方法を用いて第二ウェハー構成部分１２２の露出している表面に形成される。プロファイルにおいて、ＩＣ１２０は音響的に可変なウェハー１４５の厚さと比較して非常に薄い。ＩＣ１２０の形成後、圧電素子１１５を形成する物質は、既に記載のようにライン１１８に沿ってＩＣ１２０の表面に接合される。次いで、整合層１１２及び１１１は圧電素子１１５上に適用され、次いで、変換器素子１１０は、例えば、方形切断若しくはエッチングにより形成される。
【００２３】
超音波変換器１００の所望の特性に依存して、第一ウェハー構成部分１３０に第二ウェハー構成部分１２２を組み立てることに先だって、穴１３４は空気若しくは不活性ガスで満たすことができる。代替として、第二ウェハー構成部分１２２は真空内で第一ウェハー構成部分１３０に接合でき、その結果、穴１３４内のガスは周辺エリアの圧力よりも低くできる。
【００２４】
下記に続く議論は第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスにおける一つの手法を例証し、したがって、音響的に可変なウェハー１４５は変換器素子１１０の音響インピーダンスと整合するために変化できる。シリコンはおよそ１９Ｍｒａｙｌｓ（Ｍｒａｙｌは音響インピーダンスを測定する単位である）の音響インピーダンスを有し、圧電セラミック（各圧電素子１１５の物質が形成される）はおよそ３３Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有していると仮定する。音響的に可変なウェハー１４５（シリコン）の音響インピーダンスが圧電素子１１５（圧電セラミック）の音響インピーダンスと整合することが望ましいことを仮定する。圧電セラミックのインピーダンスの削減は、およそ１９Ｍｒａｙｌｓの音響インピーダンスを有する圧電セラミック及び様々なポリマーの合成物を使用することによって行なわれる。これは、圧電素子１１５とＩＣ１２０間のインターフェイス１１８での反射を防御する。本発明の態様にしたがって、シリコンインターフェイス（第二ウェハー構成部分１２２が、第一ウェハー構成部分１３０に接合する表面１２５）の背面で音響の反射を防ぐことは、音響的に可変なウェハー１４５がポスト１３２及び穴１３４を定義することで定義され、その結果、第一ウェハー構成部分１３０の音響インピーダンスは圧電素子１１５の音響インピーダンスと整合する。
【００２５】
音響背面１４０は、音響的に可変なウェハー１４５により移動する音響エネルギーを吸収するために、第一ウェハー構成部分１３０の背面に付加される。
【００２６】
図２Ｂは図２Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。超音波変換器１００に関する前述の記載と同様に、超音波変換器１５０は圧電素子１１５上の第一整合層１１１及び第二整合層１１２を含んでいる。圧電素子１１５は圧電セラミックであるか、若しくは既に記載のような圧電合成物質である。第一整合層１１１、第二整合層１１２及び圧電素子１１５は変換器素子１１０を含んでいる。各変換器素子１１０は前述に記載と同様の手法でＩＣ１２０に付加されている。
【００２７】
図２Ａに関する前述の記載と同様な手法において、第一ウェハー構成部分１６０は方形切断、エッチング若しくは他の当業者に周知の技術の何れかによってそこに形成される複数の穴１６４を有する。穴１６４は複数のポスト１６２を定義する。しかしながら、図２Ｂに記載の実施態様において、各変換器素子１１０は１つの穴１６４の上に位置する。既に言及したように、穴１６４の各々は空気、不活性ガスで満たされ、若しくは真空で形成され、このように真空若しくはガスが背面に存在する超音波変換器１５０を作り出す。ガスが背面に存在する超音波変換器１５０は高い効率で幅広いバンド幅の操作を提供する。前述に記載と同様に、穴１６４は第一ウェハー構成部分１６０の音響インピーダンスを変化するために設計でき、したがって、音響的に可変なウェハー１６５の音響インピーダンスはまた、音響的に可変なウェハー１６５により音響エネルギーの伝達を側音で削除若しくは排除する。
【００２８】
図３Ａは、微細な機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子を含有し、本発明の態様と一致して構成された変換器２００を例示する断面の概略図である。超音波変換器２００は複数のＭＵＴ２１０が形成される音響的に可変なウェハー２５０を有している。各ＭＵＴ素子は複数のＭＵＴセル（示されていない）を含んでいる。音響的に可変なウェハー２５０は、ＭＵＴ２１０が形成される基板を形成する、第一ウェハー構成部分２３０及び第二ウェハー構成部分２２０を含んでいる。第二ウェハー構成部分２２０は前述に記載の第二ウェハー構成部分１２２と同様であり、シリコン若しくは他の半導体基板物質であるかもしれない。
【００２９】
本発明の態様と一致して、第二ウェハー構成部分２２０の接合に先だって、穴２３４は第一ウェハー構成部分２３０に形成され、示された構造を有する音響的に可変なウェハー２５０に帰着する。各穴２３４はエッチングされるか若しくは第一ウェハー構成部分２３０に切り込まれることができ、好ましくはおよそ５０乃至１００マイクロメートル（μｍ）幅及び２５０乃至４５０μｍの深さである穴２３４を作り出す。
【００３０】
第一ウェハー構成部分２３０に穴２３４の形成後、第二ウェハー構成部分２２０はライン２２５に沿って第一ウェハー構成部分２３０に接合され、したがって音響的に可変なウェハー２５０を形成する。音響的に可変なウェハー２５０がこのように形成された後、当業者にとって周知のようにＭＵＴ素子２１０は音響的に可変なウェハー２５０の表面上に組み立てられる。第一ウェハー構成部分２３０はシリコン若しくは超音波変換器２００の望ましい音響性能に依存する任意の他の基板の何れかである得る。第二ウェハー構成部分２２０は、例えば、陽極結合若しくは融合結合を用いて第一ウェハー構成部分２３０に接合される。さらに、この実施例において、他のシリコンとシリコンの接合技術が使用できる。
【００３１】
前述に記載のように、音響分離を提供し、音響的に可変なウェハー２５０で移動している音響エネルギーを側音で多大に削減若しくは排除するために、穴２３４は空気、ガスで満たされ、真空となることができる。これは音響カップリングを多大に削減し、このようしてＭＵＴ素子２１０間の音響のクロストークを削減する。図３Ａに示されているように、各ＭＵＴ素子２１０は一つのポスト２３４上に位置する。穴２３４の大きさ、形状、位置、及び質量を変更することにより、第一ウェハー構成部分２３０の音響インピーダンス、及び特に各ポスト２３２の音響インピーダンスは、ＭＵＴ変換器素子の音響インピーダンスが背面物質の範囲と整合するために設計できる。既に記載したように、背面２４０は音響的に可変なウェハーにより移動する音響エネルギーを吸収するために第一ウェハー構成部分に適用できる。
【００３２】
図３Ｂは図３Ａの超音波変換器２００の代替となる実施態様２５５を例示する断面の概略図である。図３Ｂに示されているように、第一ウェハー構成部分２６０は複数のポスト２６２を定義する複数の穴２６４を含んでいる。しかしながら、この実施態様において、各ＭＵＴ素子２１０は一つの穴２６４上に位置している。
【００３３】
本発明の原理から逸脱せず既に記載のように多くの修正及び変化が本発明になされることは当業者にとって明らかであるだろう。例えば、本発明は圧電セラミック及びＭＵＴ変換器素子を備えて使用できる。さらに、本発明は、例えば、シリコン及びゲルマニウムを含有している異なる基盤物質に適用可能である。すべてのこのような修正及び変化は、ここに含まれるように意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウェハーに形成される超音波変換器アレイの斜視図である。
【図２Ａ】図１の変換器の一部の断面の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。
【図３Ａ】微細な機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）素子を含有し、本発明の態様と一致して構成された変換器を例示する断面の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａの超音波変換器の代替となる実施態様を例示する断面の概略図である。
【符号の説明】
１００ 超音波変換器
１１０ 変換器素子
１２２ 第二ウェハー構成部分
１３０ 第一ウェハー構成部分
１４０ 背面
１４５ 音響的に可変なウェハー
１１１ 第一整合層
１１２ 第二整合層
１１５ 圧電素子
１１８ 接合ライン
１２０ ＩＣ
１２５ 接合する表面
１３２ ポスト
１３４ 穴
１５０ 超音波変換器
１６０ 第一ウェハー構成部分
１６２ ポスト
１６４ 穴
１６５ 音響的に可変なウェハー
２００ 超音波変換器
２１０ ＭＵＴ
２２０ 第二ウェハー構成部分
２２５ ライン
２３０ 第一ウェハー構成部分
２３２ ポスト
２４０ 背面
２５０ 音響的に可変なウェハー
２５５ 超音波変換器２００の代替となる実施態様
２６０ 第一ウェハー構成部分
２６２ ポスト
２６４ 穴
Claims (4)
- 第１のウェハー構成部分上に形成された複数の素子を有する超音波センサーと、
第２のウェハー構成部分上に形成された集積回路と、を有する超音波変換器であって：
前記第２のウェハー構成部分は、該第２のウェハー構成部分の音響インピーダンスを変化させるような、複数のポストを定義する複数の穴を含み、前記集積回路は前記第１のウェハー構成部分上の前記超音波センサーに接合され、且つ前記超音波センサーの各素子は前記複数の穴の１つの上に位置する、超音波変換器。 - 前記超音波センサーは微細な機械加工の超音波変換器を含む、請求項１に記載の変換器。
- 前記穴は前記第２のウェハー構成部分内を移動する音響エネルギーを削減するように設計される、請求項１に記載の変換器。
- 前記穴は前記第２のウェハー構成部分の音響インピーダンスを前記変換器素子の音響インピーダンスに整合することを可能にするように設計される、請求項１に記載の変換器。
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