(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）と、
積層関係で前記第１のＣＭＵＴと隣接する第２の変換デバイスと
を備える構成要素であって、
前記第１のＣＭＵＴは、
第１の電極と、
１つ以上の第１の支持体によって維持される第１の間隙により、前記第１の電極から分離される第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極が、前記第１の間隙内で互いに向かって、および互いから離れる方に移動するのを可能にするためのバネ部材と
を備え、
前記第２の変換デバイスは、第２のＣＭＵＴであり、
前記第２のＣＭＵＴは、第２の電極と、前記第２の電極の前記第１の電極からの反対側に、第２の間隙によって前記第２の電極から分離される第３の電極とを備え、前記第２の間隙は、１つ以上の第２の支持体によって維持され、
前記第３の電極は、前記第３の電極が、前記第２の間隙内で前記第２の電極に向かって、および前記第２の電極から離れる方に移動するのを可能にする、可撓性要素上に装着され、前記可撓性要素は、前記第３の電極を初期位置へ戻すバネ力を提供し、
前記第３の電極は、チャネルを介して複数に分離して配置され、分離して配置された各第３の電極は、前記第１のＣＭＵＴと前記第２のＣＭＵＴとの間の動作の干渉が最小になるように、前記第１の支持体上部に前記各第３の電極の中央部が配置されることを特徴とする構成要素。
【請求項２】
前記第１のＣＭＵＴは、第１の周波数で動作するように構成され、前記第２のＣＭＵＴは、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で動作するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項３】
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴは、共通の中間電極を共用することを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項４】
前記第１のＣＭＵＴは、音響エネルギーを受信するように受信回路に接続され、
前記第２のＣＭＵＴは、音響エネルギーを送信するように送信回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項５】
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴは、前記第１のＣＭＵＴおよび第２のＣＭＵＴを、
前記第１のＣＭＵＴおよび第２のＣＭＵＴが音響エネルギーを送信するのを可能にするための送信回路か、または、
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴが音響エネルギーを受信するのを可能にするための受信回路のうちの１つに、選択的に接続するための回路に接続されることをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項６】
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴは並列に接続され、
前記第１のＣＭＵＴは、前記第１のＣＭＵＴを、第１の送信回路または第１の受信回路のうちの１つに選択的に接続するための第１の回路に接続され、
前記第２のＣＭＵＴは、前記第２のＣＭＵＴを、第２の送信回路または第２の受信回路のうちの１つに選択的に接続するための第２の回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項７】
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴは、プローブ上に装着され、
前記第１のＣＭＵＴは、外科手順中に組織の視野を提供するための画像変換器として構成され、
前記第２のＣＭＵＴは、前記外科手順中に組織切除を行うために、組織の所望の部位に超音波エネルギーを集中させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項８】
前記第１のＣＭＵＴおよび前記第２のＣＭＵＴは、プローブ上に装着され、
前記第１のＣＭＵＴは、第１の動作周波数での撮像を提供するための画像変換器として構成され、
前記第２のＣＭＵＴは、前記第１の動作周波数とは異なる、第２の動作周波数での撮像を提供するための画像変換器として構成されることを特徴とする請求項１に記載の構成要素。
【請求項９】
プローブ上に装着される第１の変換器および第２の変換器を備え、前記第１の変換器および前記第２の変換器は隣接し、一方が他方の上に重なり合うことを特徴とするプローブであって、
前記第１の変換器および前記第２の変換器は、第１のＣＭＵＴおよび第２のＣＭＵＴであり、
前記第１のＣＭＵＴは、
第１の電極と、
１つ以上の第１の支持体によって維持される第１の間隙により、前記第１の電極から分離される第２の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極が、前記第１の間隙内で互いに向かって、および互いから離れる方に移動するのを可能にするためのバネ部材と
を備え、
前記第２のＣＭＵＴは、第２の電極と、前記第２の電極の前記第１の電極からの反対側に、第２の間隙によって前記第２の電極から分離される第３の電極とを備え、前記第２の間隙は、１つ以上の第２の支持体によって維持され、
前記第３の電極は、前記第３の電極が、前記第２の間隙内で前記第２の電極に向かって、および前記第２の電極から離れる方に移動するのを可能にする、可撓性要素上に装着され、前記可撓性要素は、前記第３の電極を初期位置へ戻すバネ力を提供し、
前記第３の電極は、チャネルを介して複数に分離して配置され、分離して配置された各第３の電極は、前記第１のＣＭＵＴと前記第２のＣＭＵＴとの間の動作の干渉が最小になるように、前記第１の支持体上部に前記各第３の電極の中央部が配置されることを特徴とするプローブ。
【請求項１０】
前記第１の変換器は、外科手順中に視野を提供するための画像変換器として構成される、第１の容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）であり、
前記第２の変換器は、前記外科手順に組織切除を行うために、組織の所望の部位に超音波エネルギーを集中させるように構成される、第２のＣＭＵＴであることを特徴とする請求項９に記載のプローブ。
【請求項１１】
前記第１の変換器は、第１の動作周波数での撮像を提供するための画像変換器として構成される、第１の容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）であり、
前記第２の変換器は、前記第１の動作周波数とは異なる、第２の動作周波数での撮像を提供するための画像変換器として構成される、第２のＣＭＵＴであることを特徴とする請求項９に記載のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型変換デバイスに関する。
【０００２】
本出願は、２００７年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６０／９９２，０２０号の利益を主張し、その開示全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
様々な種類の超音波変換器が、超音波を送信および受信するために開発されている。これらの超音波変換器は、医療診断および医学療法、ソーナーおよび水中撮像、生化学的撮像、材料の非破壊的評価、通信、近接検知、気体流量測定、原位置プロセス監視、超音波顕微鏡法、ならびに種々の他の用法を含む、多くの用途において、一般的に使用されている。超音波変換器は、単一の別個の変換器として生産および／または使用することができる。さらに、複数の変換器を含む超音波変換器アレイも開発されている。例えば、超音波変換器の２次元アレイは、３次元撮像および他の用途に使用することができる。
【０００４】
開発された超音波変換器の１つの種類には、マイクロマシン加工超音波変換器（ＭＵＴ）がある。広く使用されている圧電（ＰＺＴ）超音波変換器と比較して、ＭＵＴは、製造方法、動作帯域幅、および動作温度において利点を有する。例えば、ＰＺＴ変換器は、典型的には、変換器のアレイを作製し、アレイをダイスカットし、個々の圧電要素を接続することによって生産される。この製造技法は、問題および費用を伴う場合があり、ＰＺＴ変換器自体、インピーダンス不整合の大きな問題を有し得る。一方、ＭＵＴは、より効率的な半導体マイクロマシン加工技法を使用して製造することができ、ＭＵＴは、ＰＺＴ変換器と同等の動的性能を示す。これらの理由から、ＭＵＴは魅力のある、圧電超音波変換器の代替物となりつつある。
【０００５】
広く使用されているＭＵＴの１つの種類には、容量性マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）があり、これは、電極間の静電気引力を使用する。例えば、内蔵バネおよび表面プレートを有するＣＭＵＴ（ＥＳＣＭＵＴ）が、デバイスの性能を向上させるために近年開発された。ＥＳＣＭＵＴの基本構造体は、マイクロマシン加工構造体において、内蔵バネによって支持される１つまたは複数の表面プレートである。しかしながら、これまでに開発されたＣＭＵＴは、ほとんどのデバイスパラメータにおいてＰＺＴ変換器より良好な性能を示すが、その一方で依然として、ＣＭＵＴが全ての応用分野においてＰＺＴ変換器の性能を凌ぐことができるように、ＣＭＵＴを改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
付随する図面は、説明と併せて、本明細書において企図される最良の形態の原理を示し、説明する役割を果たす。図では、参照番号の最も左の数字は、該参照番号が最初に現れる図を特定する。図面では、類似する数字は、幾つかの図を通して実質的に類似する特徴および構成要素を表す。
【図１】ＣＭＵＴ上に積層される変換デバイスを有する構成要素の、例示的な実装形態を示す図である。
【図２】ＣＭＵＴの接続配置を含む、システムの例示的な実装形態を示す図である。
【図３】積層型ＣＭＵＴのための接続配置の、例示的な実装形態を示す図である。
【図４】積層型ＣＭＵＴのための接続配置の、別の例示的な実装形態を示す図である。
【図５】積層型ＣＭＵＴのための接続配置の、別の例示的な実装形態を示す図である。
【図６】構成要素の例示的な実装形態の断面図である。
【図７】第１のＣＭＵＴおよび第２のＣＭＵＴを含む構成要素の、例示的な実装形態の断面図である。
【図８Ａ】第１のＣＭＵＴおよび第２のＣＭＵＴを含む構成要素の、例示的な実装形態の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの変更した構成要素の、例示的な実装形態の断面図である。
【図９】別個の超音波撮像およびＨＩＦＵプローブを含むシステムの例を示す図である。
【図１０Ａ】積層型ＣＭＵＴを有する構成要素を含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。
【図１０Ｂ】積層型ＣＭＵＴを有する構成要素を含むシステムの、例示的な実装形態を示す図である。
【図１１】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素の性能の例示的なグラフ情報を示す図である。
【図１２Ａ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１２Ｂ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１３Ａ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１３Ｂ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１４Ａ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１４Ｂ】本明細書における実装形態に従う、積層型構成要素を含むシステムの例示的な実装形態を示す図である。
【図１５Ａ】ＣＭＵＴおよび流量／温度センサを含む構成要素の、例示的な実装形態の断面図である。
【図１５Ｂ】ＣＭＵＴおよび流量／圧力センサを含む構成要素の、例示的な実装形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の詳細な説明において、本開示の一部を成し、制限目的ではなく、説明目的で例示的な実装形態を示す、添付図面を参照する。さらに、本説明は、以下に説明され、図面で示されるように、種々の例示的な実装形態を提供するが、本開示は、本明細書において説明され、図示の実装形態に制限されず、当業者にとって既知である、または既知となるであろう他の実装形態にまで及び得ることに留意されたい。本明細書における「一実装形態」、「本実装形態」、「一部の実装形態」、または「これらの実装形態」への言及は、該実装形態に関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実装形態に含まれることを意味し、本明細書の様々な箇所で現れるこれらの句が、必ずしも全て同一の実装形態を指しているとは限らない。さらに、該説明において、完全な開示を提供するために、多くの具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細の全てが、全ての実装形態において必要であるとは限らないことは明白である。他の状況において、周知の構造、材料、回路、プロセス、およびインターフェースは、詳細に説明されておらず、および／または不必要に本開示を分かりにくくしないために、ブロック図の形態で示されている場合がある。
【０００８】
本明細書で開示される実装形態は、マイクロマシン加工超音波変換器（ＣＭＵＴ）に関する。一部の実装形態は、積層特徴を有するＣＭＵＴ配置を対象とし、種々の用途のための実装方法を提供する。一部の実装形態は、ＣＭＵＴを土台とする、変換デバイスと称される第２の機能的構造体を含む。本明細書で使用される変換デバイスは、任意の変換器、センサ、またはエネルギーを変換もしくは交換することができる他のデバイスであり得る。一部の実装形態において、積層特徴は、第１のＣＭＵＴ構造体を土台とする第２のＣＭＵＴ構造体を備え、２つのＣＭＵＴ構造体は、一方が他方の上に積層される。また、一部の実装形態は、２つの積層型ＣＭＵＴの動作方法を含む。
【０００９】
さらに、一部の実装形態は、内蔵バネを備えるＣＭＵＴ（ＥＳＣＭＵＴ）に基づく。一部の実装形態において、第２の構造体は、ＣＭＵＴの表面プレートを土台とすることができる。第２の構造体は、例えば、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、ＣＭＵＴ構造体等の、インターフェース回路、センサ、または変換器を含む、変換デバイスであり得る。さらに、一部の実装形態において、第１のＣＭＵＴの表面プレートが比較的剛性であるように設計される場合、変換器の最上部プレートは、そのような第２の構造体を追加製造するためのプラットホームとして、機能することができる。適切な設計を用いて組み込まれる場合、ＣＭＵＴ、およびＣＭＵＴの最上部を土台とする追加特徴または構造体は、独立して動作することができる。
【００１０】
一部の実装形態において、２つのＣＭＵＴ構造体は、ＥＳＣＭＵＴ設計に基づいて、隣接して一方を他方の土台とすることができる。例えば、第１のＣＭＵＴ構造体は、バネ層と関連する電極と、基板と関連する電極との間に形成することができる。次いで、第２の構造体を、バネ層と関連する電極と、表面プレートと関連する電極との間に形成することができる。さらに、一部の実装形態において、ＣＭＵＴの表面プレートを、ＣＭＵＴの性能を改善し、２つのＣＭＵＴ構造体の動作間の干渉を最低限に抑えるように、特定の形状にパターン化することができる。
【００１１】
本明細書で開示される一部の実装形態において、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を備える変換器構成要素に焦点が当てられる。積層型ＣＭＵＴ構造体を異なる組み合わせで使用して、以下でさらに説明するように、別個の送信および受信機能、二重送信、二重受信、または独立して動作するＣＭＵＴ等の、選択的用途のための所望の機能および性能を達成することができる。本明細書で記載される手法は、超音波システムに適合するＣＭＵＴ設計の柔軟性を大きく改善するのみならず、変換器の性能を飛躍的に改善することができる。一部の実装形態において、２つの積層型変換器構造体の位置は、リソグラフィによって画定され、これによって、一方が他方の上に構築される、２つの変換器の正確な位置合わせが可能になる。本明細書で開示される積層型ＣＭＵＴ構成におけるＣＭＵＴ構造体は、例えば、単一要素変換器、１次元アレイ、１．５次元アレイ、１．７５次元アレイ、２次元アレイ、または環状アレイ等の任意の構成となるように設計することができる。また、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体は、同一または異なる構成を有し得る。
【００１２】
一部の実装形態において、積層型構造体は、経直腸的、腔内、および血管内用途にとって重要である変換器領域を保存する。積層型ＣＭＵＴ構造体を備える変換器の実装形態にとっての１つの用途は、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）であり、これは、組織切除、前立腺癌の治療等に使用することができる。本明細書で開示される実装形態の別の用途は、血管内撮像に使用される、血管内冠動脈超音波（ＩＶＵＳ）である。
【００１３】
図１は、ＣＭＵＴ１１１を含む構成要素１１０の実装形態を示し、変換デバイス１１２が、積層型または重なり合う構成で、ＣＭＵＴ１１１上に位置する。ＣＭＵＴ１１１は基板１２０上に位置することができ、基板１２０は、構成要素１１０の対象とする用途に応じて、別個の支持体表面（例えば、プローブの一部）、他の好適な支持体、または単にＣＭＵＴ１１１自体の一部であり得る。種々の実装形態において、変換デバイス１１２は、構成要素１１０の対象とする用途に応じて、１つ以上の回路、１つ以上のセンサ、１つ以上の変換器、またはそれらの組み合わせであり得る。例えば、変換デバイス１１２は、変換器のインターフェース回路、圧力センサ、温度センサ、流量センサ等であり得る。
【００１４】
本明細書で開示される実装形態は、第２のＣＭＵＴが第１のＣＭＵＴの上に位置するように、第２のＣＭＵＴ構造体が、第１のＣＭＵＴ構造体上に位置するか、またはその逆でもあり得る、複数の変換器設計を含む。２つの積層型または重なり合うＣＭＵＴ構造体を有する構成要素１１０の実装形態において、構成要素１１０の変換デバイス１１２は第２のＣＭＵＴを含むことができ、かつ、ＣＭＵＴ１１１は、第１のＣＭＵＴであってもよく、その逆でもあってもよい、その結果、構成要素１１０は、積層型ＣＭＵＴ構造体で構成される積層型変換器を形成する。積層型ＣＭＵＴ構造体を異なる組み合わせで使用して、選択した用途に合わせて所望の機能および性能を達成することができる。積層型ＣＭＵＴ構造体の種々の応用例には、別個の送信および受信、二重送信、二重受信、または独立して動作するＣＭＵＴを可能にすることが含まれる。例えば、２つのＣＭＵＴ構造体は、同一または異なる特性を有し得る。本手法は、超音波システムに適合するＣＭＵＴ設計の柔軟性を大きく改善するのみならず、変換器の性能を飛躍的に改善することができる。積層型構造体は、ＨＩＦＵ用途、ＩＶＵＳ用途等のための、経直腸的、腔内、および血管内用途にとって重要である変換器領域を保存する。
【００１５】
積層型変換器構成要素内のＣＭＵＴは、例えば、単一要素変換器、１次元アレイ、１．５次元アレイ、１．７５次元アレイ、２次元アレイ、環状アレイ等の任意の構成となるように設計することができる。また、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体は、同一構成または異なる構成を有するＣＭＵＴであり得る。例えば、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を、同一中心周波数または異なる中心周波数で動作するように設計することができる。
【００１６】
ＣＭＵＴの基本構造体は、電場と音場との間でエネルギーを交換するように移動可能である少なくとも１つの電極を有する、可変キャパシタの役割を果たす。さらに、複数のＣＭＵＴがアレイ構造体として構成される時には、アレイ内の各ＣＭＵＴ要素を可変キャパシタとして符号で表すことができ、したがって、ＣＭＵＴアレイは、可変キャパシタのアレイによって符号で表すことができる。
【００１７】
図１に示す構成要素１１０内の積層型ＣＭＵＴ構造体、１１１および１１２は、特定の所望の機能または性能を実現するために、種々の様態で配線および構成することができる。本明細書の開示を考慮すれば、当業者には他の可能性が明白となるであろうが、数種類の接続スキームの例を、図２〜５を参照して示す。図において、ＣＭＵＴ構造体内のアドレス可能なＣＭＵＴ要素は、キャパシタ（Ｃ）として符号で表すことができる。さらに、ＣＭＵＴ構造体がアレイである実装形態では、図において、１つのみの要素を示すことができる。
【００１８】
図２は、単一ＣＭＵＴ２１０（可変キャパシタＣとして符号で表される）が、音響エネルギーの送信および受信の両方に交互に使用される接続スキームを実装する、例示的なシステム２００を示す。ＣＭＵＴ２１０は、一方の側でバイアス回路または所望のバイアス電圧源２３０に接続される。ＣＭＵＴ２１０は、反対側でスイッチ２４０に接続される。スイッチ２４０は、ＣＭＵＴ２１０を、送信インターフェース回路２５０または受信インターフェース回路２６０のいずれかに接続することができる。例えば、スイッチ２４０がＣＭＵＴ２１０を送信インターフェース回路２５０に接続する時には、電圧を印加して、ＣＭＵＴ２１０に音響エネルギーを送信させることができる。一方、スイッチ２４０がＣＭＵＴ２１０を受信インターフェース回路２６０に接続する時には、ＣＭＵＴ２１０によって検出される音響エネルギーを表す信号を、受信インターフェース回路２６０に送ることができる。さらに、スイッチ２４０は実際のスイッチ回路であってよく、送信の間の検出回路のための保護回路、または同様の機能を達成する他のデバイスもしくは回路であってもよいことに留意されたい。
【００１９】
本明細書で開示される実装形態に従う積層型ＣＭＵＴ構造体は、種々の代替接続配置を可能にする。図３は、構成要素３１０が、第１のＣＭＵＴ（Ｃｌ）３１１および第２のＣＭＵＴ（Ｃ２）３１２で構成される２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を含み、そのうちの一方は送信に使用され、他方は受信に使用される、第１の例示的な接続配置を実装するシステム３００を示す。積層型ＣＭＵＴは、ＣＭＵＴ構造体を表す可変キャパシタとして符号で表され、図１のＣＭＵＴ構造体１１１および１１２と同一の様態で、または本明細書において上記または以下で開示する他の実装形態に従って構成され得る。ＣＭＵＴ３１１および３１２は、中間電極３１４を介してバイアス源または所望の電圧源３３０に接続することができ、該電極は、一部の実装形態において共通の中間電極、または他の実装形態において２つの別個の中間電極であり得る。図示の実装形態において、第２のＣＭＵＴ３１２は、送信インターフェース回路３５０を介する送信専用であり、第１のＣＭＵＴ３１１は、受信インターフェース回路３６０を介する受信専用である。
【００２０】
図３に示す配置は、図２の実装形態に優る多くの利点を有し得る。例えば、プリアンプまたは他の高感度の構成要素を有し得る受信回路３６０を保護するためのスイッチ回路を必要としない。送信回路３５０からの電気信号は、送信と受信との間のクロストークが最低限に抑えられるように、バイアス源または所望の電圧源３３０に接続される共通の中間電極３１４によって遮蔽される。結果として、フロントエンド受信回路３６０を、送信回路３５０からの送信信号の結合からの飽和等の問題を懸念することなく、最適化することができる。さらに、送信および受信動作は異なるＣＭＵＴ構造体を使用するため、送信性能と受信性能との間で設計トレードオフを行う必要はない。すなわち、第１のＣＭＵＴ３１１を受信性能について最適化することができ、第２のＣＭＵＴ３１２を送信性能について最適化することができる。
【００２１】
さらに、所望の用途に応じて、本明細書で開示される実装形態によって可能となるＣＭＵＴ構造体は、種々の他の配置に構成することができる。図４は、構成要素４１０が並列に接続される２つのＣＭＵＴ構造体を含む接続配置を含む、例示的なシステム４００を示す。第１のＣＭＵＴ（Ｃｌ）４１１および第２のＣＭＵＴ（Ｃ２）４１２は、図１について前述したように、積層構成に配置される。積層型ＣＭＵＴ構造体４１１、４１２は、中間電極４１４を介して、バイアス源または所望の電圧源４３０に接続され、該電極は、一部の実装形態においてＣＭＵＴ４１１、４１２の共通電極であり得るか、または他の実装形態においては２つの別個の電極であり得る。
【００２２】
図示の配置では、ＣＭＵＴ４１１、４１２はともに、スイッチ４４０を、それぞれ送信回路４５０または受信回路４６０のいずれかとの接続に設定することにより、スイッチ４４０の作動を介して、選択的に送信または受信のいずれか専用になるように構成される。さらに、スイッチ４４０は実際のスイッチ回路であってよく、送信の間の受信回路のための保護回路、または同様の機能を達成する他のデバイスもしくは回路であってもよいことに留意されたい。構成要素４１０内のＣＭＵＴ構造体４１１、４１２はともに、変換器の送信性能および受信性能に寄与するため、構成要素４１０の性能は、２つのＣＭＵＴ構造体４１１、４１２の性能の組み合わせであり得る。これは、構成要素の性能および設計の柔軟性を大きく改善する。
【００２３】
例えば、２つのＣＭＵＴ構造体４１１、４１２が、類似の周波数応答を有するように構成される時には、変換器の送信および受信の両方の性能は、２つのＣＭＵＴ構造体の合計であり得る。一方、２つのＣＭＵＴ構造体４１１、４１２が、互いに補い合う異なる周波数応答を有するように構成される時には、構成要素４１０の帯域幅は、従来の単一変換器では達成できないような非常に広い帯域幅を達成するように、両方のＣＭＵＴ構造体の帯域幅にわたることができる。例えば、２つのＣＭＵＴ構造体４１１、４１２の周波数応答が別個である場合、積層型ＣＭＵＴ構造体４１１、４１２は、２つの独立したＣＭＵＴ変換器として、２つの別個の周波数範囲内で効率的に動作し得る。
【００２４】
図５は、第２のＣＭＵＴ構造体（Ｃ２）５１２と積層型または重なり合う構成にある、第１のＣＭＵＴ構造体（Ｃｌ）５１１を含む構成要素５１０のための接続配置を含む、別の例示的なシステム５００を示す。ＣＭＵＴ５１１、５１２は、独立してアドレスされるＣＭＵＴとして別個に接続することができ、中間電極を介してバイアス源または所望の電圧源５３０に接続され、該電極は、一部の実装形態においてＣＭＵＴ５１１、５１２の共通電極であり得るか、または他の実装形態において２つの別個の電極であり得る。第１のスイッチ５４１は、第１のＣＭＵＴ５１１を、第１の送信回路５５１または第１の受信回路５６１のうちの１つに接続するように、選択的に作動可能である。同様に、第２のスイッチ５４２は、第２のＣＭＵＴ５１２を、第２の送信回路５５２または第２の受信回路５６２のうちの１つに接続するように、選択的に作動可能である。第１の送信回路５５１および第２の送信回路５５２は、一部の実装形態においては同一回路であってよく、他の実装形態においては別個の回路であってよい。同様に、第１の受信回路５６１および第２の受信回路５６２は、一部の実装形態においては同一回路であってよく、他の実装形態においては別個の回路であってよい。さらに、前述の実装形態と同様、スイッチ５４１、５４２は実際のスイッチ回路であってよく、送信の間の受信回路のための保護回路、または同様の機能を達成する他のデバイスもしくは回路であってもよい。
【００２５】
図５に示す接続スキームは、所望の変換器性能を達成するために大きな柔軟性を有し、種々の異なる用途に向けて適合させることができるが、図２〜４に示す実装形態よりも接続が複雑で、より多くのハードウェアを必要とする。機能的に、図５の接続配置は、図２〜４の前の実装形態例における接続スキームで可能な全ての機能を実行するように構成することができる。故に、図５の実装形態の一部の構成において、第１のＣＭＵＴ５１１を送信モードに構成し得る一方、第２のＣＭＵＴ５１２を受信モードに構成することができ、あるいはその逆でもあり得る。代替として、ＣＭＵＴ５１１およびＣＭＵＴ５１２の両方を、同時に同一モードに構成することもできる。さらに、ＣＭＵＴ５１１および５１２は、同様のまたは異なる送信および受信機能を有することができる。
【００２６】
本明細書で開示される積層型ＣＭＵＴ構造体を有する構成要素の実装形態は、限定された動作空間しか許されない一部の用途（例えば、ＨＩＦＵ、血管内または他の腔内用途等の医療用途）、あるいは従来の変換器では達成することのできない性能水準（例えば、複数の周波数帯域または非常に広い帯域幅での動作）を必要とする用途において、大きな利益を提供することができる。さらに、積層型ＣＭＵＴ構造体を有する本明細書で開示される構成要素の実装形態は、２つの重なり合うＣＭＵＴ構造体が互いに独立して動作する場合でさえも、適切に機能するように構成することができる。
【００２７】
本明細書で開示される一部の実装形態は、１つ以上の内蔵バネを有するＣＭＵＴ設計（ＥＳＣＭＵＴ）を組み込む。図６は、完全なＣＭＵＴ要素６００−１、ならびにＣＭＵＴ要素６００−１の両側に１つずつの、近接するＣＭＵＴ要素６００−２および６００−３の一部を示す、ＥＳＣＭＵＴ構造体の断面図である。ＣＭＵＴ要素６００−１の断面（ユニット）の拡大図を、完全なＣＭＵＴ要素の上の長方形の破線内に示す。ＣＭＵＴ６００−１は、隆起した支持体６０７を有する基板ウエハ６０６を土台とする。バネ部材６１２は隆起した支持体６０７と接触し、バネ部材６１２の上には第１の電極６１７が形成される。接続支持体６１４は、プレート状の第２の電極６１１を、電極６１７から離間する関係に維持する。第２の電極として機能するプレート６１１は、比較的剛性であることができ、任意選択的に第１の絶縁層６１５および第２の絶縁層６１６を含む。図６に示すＥＳＣＭＵＴ実装形態では、最上部プレートが接続支持体６１４によってバネ部材６１２および第１の電極６１７から分離され、その間に間隙または空洞６１８を画定する。プレート６１１は、ドーピング等により一体的に形成される第２の電極を含み得るか、または第２の電極は、プレート６１１上に蒸着される別個の層であってもよい。さらに、第１の電極６１７は、バネ部材６１２の上に、またはその一部として形成することができるか、あるいは代替として、バネ部材６１２の下の基板６０６の上に、またはその一部として形成することもできる。
【００２８】
ＥＳＣＭＵＴ６００−１がどのように機能するかについての説明として、例えば送信モードでは、第１の電極６１７と第２の電極６１１との間で電圧が印加され、静電気引力を生じさせる。静電気引力によって、第１の電極６１７および第２の電極６１１は互いに向かって移動し、それによりバネ部材６１２を撓曲させる。電圧が除去されると、バネ部材６１２の復元バネ力が、第１の電極６１７および第２の電極６１１を、互いから離れるように移動させて初期位置に戻す。同様に、受信モードでは、音響エネルギーがＥＳＣＭＵＴ６００−１に作用し、第２の電極６１１を第１の電極６１７に対して移動させ、第１の電極６１７と第２の電極６１１との間のキャパシタンスを変化させ、バネ部材６１２の復元力が、初期位置への復帰を付勢する。
【００２９】
内蔵バネ部材を伴って構成されるＣＭＵＴのプレート／第２の電極６１１は、比較的剛性に設計することができるため、ＣＭＵＴプレートは、１つ以上の追加の変換器等の１つ以上の追加の機能デバイスのためのプラットホームとして機能することができる。追加の機能デバイスは、所望の用途のための所望の機能を達成するために、プレート６１１上に製造され得る、任意の集積回路、センサ、または変換器を含む変換デバイスであり得る。さらに、本明細書に記載される適切な設計の構成を実装することにより、ＣＭＵＴおよびＣＭＵＴ上の追加の機能デバイスは、独立して動作することができる。
【００３０】
積層型変換デバイスを備えるＣＭＵＴの特定の実装形態において、内蔵バネを備えるＥＳＣＭＵＴは、図１のＣＭＵＴ１１１に対応し得る第１のＣＭＵＴ構造体を備えることができ、第２のＣＭＵＴ構造体は、図１の変換デバイス１１２に対応し得る。図７は、上記で図６を参照して記載したＥＳＣＭＵＴ構成に従う、積層型ＣＭＵＴ構造体を有する例示的な構成要素７００を示す。図示の実装形態において、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体の領域は、破線の長方形で特定される。第１の領域は、第１のＣＭＵＴ構造体７１１を包含し、第２の領域は、第２のＣＭＵＴ構造体７１２を包含する。したがって、第１のＣＭＵＴ７１１および第２のＣＭＵＴ７１２は隣接し、音響エネルギーの送信および／または受信の方向に、一方が他方の上に重なり合う。第１のＣＭＵＴ構造体７１１は、前述のＥＳＣＭＵＴ６００に基づく変換器であることができ、プレート６１１は、第２のＣＭＵＴ構造体７１２の基部としての役割を果たすことができ、また第２のＣＭＵＴ構造体７１２の電極のうちの１つとしての役割を果たすことができる。図７に示す例示的な積層型ＣＭＵＴ構成要素７００内の第２のＣＭＵＴ構造体７１２は、可撓性膜ＣＭＵＴ設計に基づく変換器である。しかしながら、他の実装形態において、第２のＣＭＵＴ構造体７１２も、内蔵バネ部材を備えるＥＳＣＭＵＴ６００として構築することができる。プレート６１１は、２つのＣＭＵＴ構造体７１１、７１２の共通電極として機能し、図３〜５を参照して前述したように、接地電極またはバイアス電極として機能する。したがって、プレート６１１は、デバイスの動作の間、２つのＣＭＵＴ変換器７１１、７１２の間の電気的結合を遮蔽することができる。
【００３１】
例示的な積層型ＣＭＵＴ構成要素７００内の第２のＣＭＵＴ構造体７１２では、第１のＣＭＵＴ構造体７１１のプレート６１１は、第２のＣＭＵＴ構造体７１２の基板としての役割も果たす。また、第２のＣＭＵＴ構造体７１２は、可撓性膜等のバネ様の可撓性要素７２２上に形成される第３の電極７２１も含む。可撓性要素７２２は、可撓性要素７２２と任意選択の絶縁層６１６との間に間隙または空洞７２３を提供および維持する、可撓性要素支持体７２５によって支持される。したがって、可撓性要素７２２は、第３の電極７２１が第２の電極６１１に向かって移動するのを可能にし、一方可撓性要素７２２の復元弾性力またはバネ力が、可撓性要素７２２および第３の電極７２１を初期位置（例えば、停止または平衡位置）に戻すように付勢する。さらに、可撓性要素７２２および第３の電極７２１は、図７では別個のものとして示してあるが、第３の電極および可撓性要素７２２は、同一のものであり得る。すなわち、可撓性要素７２２は導電性であってよく、かつ第３の電極７２１として機能するか、または第３の電極７２１は可撓性要素７２２内に内蔵され得る等であることを理解されたい。動作周波数、帯域幅等の適切な設計を用いて、第１のＣＭＵＴ構造体７１１および第２のＣＭＵＴ構造体７１２は、特に２つのＣＭＵＴ７１１、７１２が別個の周波数範囲で動作する時に、互いに独立して動作することができる。
【００３２】
図８Ａは、２つのＣＭＵＴ構造体が、単一ＥＳＣＭＵＴを修正した構成に基づいて構築される、別の実装形態を示す。図８Ａにおいて、構成要素８００ａは、最上部電極として機能するように構成される第１のプレート８１０と、底面電極として機能するように構成される基板８３０とを含む。共通の中間電極８６０は、バネ部材８２０の一部としてか、またはその上に形成されるかのいずれか等で、バネ部材８２０に含まれる。基板／底面電極８３０は、任意選択の絶縁層８１５を含み、第１の間隙または空洞８１８を形成および維持するための第１の支持体としての役割を果たす、バネ固定具８５０によってバネ部材８２０から離間する関係に支持される。したがって、バネ部材８２０および中間電極８６０は、構成要素８００ａが音響エネルギーによって影響を受ける時、または帯電が底面電極８３０と中間電極８６０との間で印加される時等に、底面電極８３０の方に撓曲することができる。バネ部材８２０が底面電極８３０の方に撓曲されると、バネ部材８２０の復元バネ力によって、バネ部材８２０および中間電極が付勢され、停止位置に戻る。したがって、本実装形態では、第１のＣＭＵＴ構造体８１１は、バネ部材８２０と関連する中間電極８６０と、基板８３０として形成される底面電極との間に形成される。第２のＣＭＵＴ構造体８１２は、中央共通電極８６０と、プレート８１０として形成される最上部電極との間に形成される。プレート支持体８４０は、プレート８１０が音響エネルギーによる影響を受ける時、または帯電がプレート８１０と中間電極８６０との間に印加される時等に、プレート８１０が中間電極８６０の方に撓曲することができるように、プレート／最上部電極８１０と中間電極８６０との間に第２の間隙または空洞８２８を形成および維持するための、第２の支持体としての役割を果たす。図７の実装形態の可撓性要素７２２について前述した様態で、プレート８１０が中間電極８６０の方へ撓曲されると、プレート８１０の復元バネ力がプレート８１０を付勢して、初期位置（例えば、停止または平衡位置）へ戻す。したがって、第１のＣＭＵＴ８１１および第２のＣＭＵＴ８１２は隣接し、音響エネルギーの送信および／または受信の方向で、一方が他方の上に積層される。
【００３３】
プレート８１０の可撓性は常に相対的特性であり、ＣＭＵＴの動作周波数に強く依存する。単一ＥＳＣＭＵＴ（図８Ａに示す）が、第２の容量性構造体を追加することによって、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体として機能するように構成される時には、表面プレート８１０の可撓性は、所定の動作周波数または方法に従って設計され得る。２つの積層型ＣＭＵＴ構造体が、類似する周波数で動作するように設計される場合、プレート８１０は、動作周波数で可撓性または剛性のいずれかであるように設計され得る。２つの積層型ＣＭＵＴ構造体が、本明細書の一部の実装形態において開示されるように、２つの異なる周波数で動作するように設計される場合、第１のＣＭＵＴ構造体８１１は、低周波数等の第１の周波数で動作するように通常設計され、そのため、表面プレート８１０は、第１のＣＭＵＴ構造体８１１が通常のＥＳＣＭＵＴのように動作するように、第１の周波数で剛性であるように設計されるべきである。第２のＣＭＵＴ構造体８１２は、高周波数等の第２の周波数で動作するように通常設計され、そのため、表面プレート８１０は、第２のＣＭＵＴ構造体８１２が通常の可撓性膜ＣＭＵＴのように動作するように、第２の周波数で可撓性であるように設計されるべきである。第１の周波数と第２の周波数との間の差異が十分大きくなるように設計される場合、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体８１１、８１２の動作の間には、たとえそれらが単一ＥＳＣＭＵＴデバイスに含まれていても、ほとんど干渉はない。２つのＣＭＵＴ構造体間の干渉は、以下に記載する図８Ｂの設計の実装形態を用いて、さらに最小化することができる。
【００３４】
さらに、図８Ａに示す構成要素８００ａの実装形態では、構成要素８００のプレート８１０を特定の所定の形状にパターン化して、第２のＣＭＵＴ構造体８１２の性能を改善し、第１のＣＭＵＴ８１１と第２のＣＭＵＴ８１２との間の動作の干渉をさらに最小化することができる。例示的な一実装形態を、図８Ｂに構成要素８００ｂとして示す。図８Ｂでは、プレート８１０およびプレート支持体８４０の一部分が、図８Ａに太破線８０１で示すように、プレート８１０およびプレート支持体８４０から材料を取り除くことによって、チャネル８０２を形成するように取り除かれている。図８Ｂの実装形態において、下部ＣＭＵＴ構造体８１１は、小さな等価質量および大きな表面変位を有する。上部ＣＭＵＴ構造体は、２つのＣＭＵＴ構造体８１１、８１２の間の干渉が最小になるように、バネ部材８２０の比較的不活発な領域８２１上（すなわち、バネ固定具８５０上）にある。例えば、パターン化されたプレート８１０は、バネ固定具８５０のうちの１つ以上の上に主として位置するため、ＣＭＵＴ８１２は、ほとんどバネ固定具８５０上で動作し、結果として、第２のＣＭＵＴ８１２の動作中のプレート８１０の中間電極８６０の方への撓曲は、第１のＣＭＵＴ８１１の動作中の、第１の電極８３０の方へのバネ部材８２０および中間電極８６０の撓曲に最小限の影響しか与えない。
【００３５】
さらなる実施形態は、図１のＣＭＵＴ１１１上に積層される、変換デバイス１１２としての圧力センサまたは流量センサを対象とする。例えば、マイクロマシン加工圧力センサの基本構造は、ＣＭＵＴ構造と同様である。設計および機能性に応じて、本明細書で開示される第２のＣＭＵＴ構造体は、圧力センサまたは流量センサとして機能するように構成および設計することができる。例えば、一部の実装形態において、圧力情報または流量情報は、圧力または流量情報を決定するための変調方法を使用することにより、ＣＭＵＴ構造体の出力信号から抽出される。変調信号のＣＭＵＴへの応用は、本出願と同一発明者によって、２００７年４月３日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６５８８８号に開示されており、その開示の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００３６】
積層型ＣＭＵＴ構造体を有する構成要素の実装形態の、例示的な一用途は、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）を使用する前立腺癌診断および治療用である。典型的には、診断、治療、および治療評価は、異なる変換器またはシステムを使用して行われる。例えば、ＨＩＦＵ手順で撮像および治療評価を行うために、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）および他の撮像方法が通常使用される。さらに、前立腺癌の治療中等の、ＨＩＦＵ手順中に誘導を提供するために、超音波撮像を使用することが所望され得る。しかしながら、体外からの従来の超音波撮像では、適切な前立腺癌治療および評価に必要な、高品質画像を提供することができない。したがって、図９のシステム９００に示すように、手順中にＨＩＦＵプローブ９２２と併せて経直腸的超音波撮像プローブ９２０を使用して、組織切除等を行うために、超音波エネルギーを前立腺の一部９３０に集中させることができる。したがって、従来のＨＩＦＵシステム９００は、例えば、前立腺の位置を特定するための視野９５０を提供する撮像プローブ９２０と、前立腺の一部分９３０に超音波エネルギーを導くための超音波変換器９６０を含むＨＩＦＵプローブ９２２との両方の、少なくとも２つのプローブを必要とする。しかしながら、非常に限られた空間であるために、治療中に患者の直腸に、撮像プローブ９２０およびＨＩＦＵプローブ９２２の両方を入れることには幾つかの不利点がある。さらに、２つのプローブ間の相対運動（例えば、回転、屈曲、移動等）の可能性のために、撮像プローブ９２０とＨＩＦＵプローブ９２２との間の位置登録において、誤差が生じ得る。
【００３７】
本明細書で開示される実装形態によって、治療および撮像／治療評価の両方のために単一のプローブを使用して、ＨＩＦＵ手順を行うことが可能になる。１つの通常の変換器もしくは変換器アレイは、撮像および治療の両方を行うには十分でない場合があるため、本明細書で開示される実装形態は、単一プローブ上に位置する２つの変換器もしくは変換器アレイを提供する。重なり合うＣＭＵＴ構造体を有する上記で開示した構成要素の実装形態は、単一プローブを使用して、撮像、診断、治療、および治療のリアルタイム評価を行うことを可能にする。本明細書で開示されるプローブの実装形態は、単一プローブ上で互いに対して垂直に積層される、独立して動作する２つのＣＭＵＴを含む。２つの積層型ＣＭＵＴは、そのうちの１つを撮像に使用し、もう一方を治療に使用することができ、従来のプローブ内の単一変換器と同じ位置に配置することができる。故に、本明細書で開示される実装形態は、外科用途等の、空間が限られた用途にとってより好適である、小型変換器構成要素を提供する。さらに、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を単一構成要素内に提供することによって、使用中２つのプローブの間に相対運動の機会がないため、従来のシステムを使用しては困難な作業である、治療および評価プローブの正確な登録が可能になる。
【００３８】
積層型ＣＭＵＴ構造体を含むシステム１０００の例示的な実装形態を、図１０Ａ〜１０Ｂに示す。図１０Ａは、第２の変換器１０１２が第１の変換器１０１１上に積層および重なり合うように、単一プローブ１０１０上に垂直にパッケージ化される、第１の変換器１０１１と第２の変換器１０１２とを備える、プローブ１０１０を描写する。プローブ１０１０の可能性のある使用の一例は、ＨＩＦＵ手順における治療および撮像の両方を行うことである。例えば、変換器１０１１、１０１２のうちの１つを、前立腺１０５０の視野１０６０を提供するための撮像動作に使用することができ、変換器１０１１、１０１２のうちのもう１つは、前立腺１０５０の所望の部位に超音波エネルギーを集中させるＨＩＦＵ動作に使用することができる。
【００３９】
図１０Ｂは、図１０Ａに示すプローブ１０１０上で使用することができる構成要素１００１の例示的な構成を示す。構成要素１００１は、第２のＣＭＵＴ１０１２が、送信および／または受信の方向に対して第１のＣＭＵＴ１０１１の上に位置するように、同一基板１０３０上に重なり合う関係で垂直に一体化する、第１のＣＭＵＴ構造体１０１１および第２のＣＭＵＴ構造体１０１２を含む。図１０Ａ〜１０ＢのＣＭＵＴ構造体１０１１、１０１２は、例えば、単一要素変換器、１次元アレイ、１．５次元アレイ、１．７５次元アレイ、２次元アレイ、環状アレイ等の任意のＣＭＵＴ構成となるように設計することができる。また、２つのＣＭＵＴ構造体１０１１、１０１２は、同一または異なる構成を有することができる。すなわち、ＣＭＵＴ１０１１、１０１２のうちの１つは単一変換器であってよく、一方もう１つは変換器のアレイまたは他のそのような組み合わせであってよい。積層型ＣＭＵＴの前述の例示的な実装形態のいずれをも、構成要素１００１、または本明細書で開示される教示に基づけば明白となる他の構成として、使用することができる。さらに、プローブ１０１０はＨＩＦＵ手順に言及しながら説明されるが、本明細書の開示を踏まえれば、他の用途も明白となる。
【００４０】
一部の実装形態において、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を、同一中心周波数で動作させるように設計することができる。しかしながら、他の実装形態において、例えばＨＩＦＵ用途では、２つのＣＭＵＴ構造体を異なる中心周波数で動作するように構成することができる。例えば、１つの超音波変換器をＨＩＦＵ治療用により低い中心周波数（例えば、約０．５〜約３ＭＨｚ）で動作するように構成することができ、別の超音波変換器は、撮像／治療評価用により高い中心周波数（例えば、約５〜約１０ＭＨｚ）で動作するように構成することができる。超音波誘導ＨＩＦＵシステムを提供するための積層型ＣＭＵＴ構造体の使用に際して、第２のＣＭＵＴ構造体（例えば、ＣＭＵＴ１０１２）は、より高い中心周波数で動作するように構成することができ、より低い中心周波数で動作するように構成することができる第１のＣＭＵＴ構造体（例えば、ＣＭＵＴ１０１１）よりもはるかに剛性の構造体で構築され得る。したがって、変換器構成要素１００１がＨＩＦＵ治療用により低い周波数で動作する時には、第２のＣＭＵＴ１０１２は、より低い質量、より剛性の中空構造体を有する第１のＣＭＵＴ１０１１の表面プレートまたは可撓性要素として挙動する。同様に、変換器構成要素１００１の第２のＣＭＵＴ１０１２が、撮像用により高い周波数で動作する時には、第２のＣＭＵＴの送信周期の間、第１のＣＭＵＴ１０１１に印加される正味静電力はほとんどない。さらに、第２のＣＭＵＴ１０１２の受信周期の間、音波が変換器構成要素１００１に作用する時には、受信音波の周波数は、第１のＣＭＵＴ１０１１の動作周波数よりもはるかに高いため、第１のＣＭＵＴ構造体１０１１の存在は、第２のＣＭＵＴ１０１２の受信能力に非常にわずかな影響しか及ぼさない。したがって、音響的には、積層型変換器構成要素１００１内の２つのＣＭＵＴ構造体１０１１、１０１２は、比較的独立して動作することができる。
【００４１】
図１１は、積層型ＣＭＵＴを有する例示的な構成要素のスペクトルの例示的なグラフシミュレーション１１００を示す。この例では、図１、３〜８、および１０のうちのいずれかにおいて示されるような構成要素は、それぞれ１ＭＨｚおよび１０ＭＨｚの中心周波数を有する、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体を有する。例えば、該構成要素内の２つのＣＭＵＴ構造体が別個にアドレスされる場合（すなわち、ＣＭＵＴのうちの１つのみが作動する）、グラフシミュレーション１１００は、点線１１１０で示される、１ＭＨｚで動作する第１の積層型ＣＭＵＴの性能、および点線１１１１で示される、１０ＭＨｚで動作する第２の積層型ＣＭＵＴの性能を示す。さらに、２つのＣＭＵＴ構造体が並列に接続される場合（すなわち、両方のＣＭＵＴが作動する）、変換器構成要素は、ＨＩＦＵ治療および撮像の両方の周波数範囲にわたる非常に広い帯域幅を示し、該構成要素は、実線１１１２で示されるように、両方の周波数範囲で効率的に動作することができる。
【００４２】
また、積層型ＣＭＵＴ構成要素は、該構成要素の小型構成のために、血管内超音波用途（ＩＶＵＳ）および心臓内エコー検査（ＩＣＥ）にも有用である。ＩＶＵＳまたはＩＣＥ用途では、撮像は、大量撮像用にはより低い周波数が好ましいが、高解像度の撮像用には、より高い周波数が好ましい。従来の変換器は、典型的には、低周波数および高周波数の両方の範囲で効率的に動作することができないため、１つの解決策は、異なる周波数範囲で動作する２つのプローブ／変換器を使用することである。しかしながら、２つの変換器／プローブ間の切替は、撮像時間を著しく増加させ、２つの異なる変換器／プローブ間の位置登録も比較的困難になる。
【００４３】
本明細書で開示される実装形態は、２つの実質的に異なる周波数範囲で動作することができる、および／または所望の周波数範囲全体にわたることができる、非常に広い帯域幅を有する、単一構成要素またはプローブを提供する。積層型ＣＭＵＴ構造体を有する本明細書で開示される構成要素は、それぞれのＣＭＵＴが独立してアドレスされる場合には、２つの独立した変換器として、あるいは、２つのＣＭＵＴが並列に接続される場合には、２つの異なる周波数範囲にわたる単一変換器としてのいずれかで、２つの異なる周波数範囲で動作することができる。単一構成要素を形成するように重なり合う２つのＣＭＵＴ構造体間の位置登録は、容易かつ正確である。さらに、２つの周波数範囲の間の撮像能力の切替（例えば、低解像度から高解像度）は、２つの別個のプローブを物理的に交換する必要がないため、容易に達成される。また、２つの周波数範囲が互いに補完し合う時には、変換器は、特定の撮像手順に必要とされる周波数範囲全体にわたり得る、非常に広い帯域幅を有する。積層型ＣＭＵＴ構造体を有する本明細書で開示される構成要素の実装形態は、単一の従来の変換器よりさほど大きくはなく、種々の血管内プローブ内の従来の変換器と単に入れ替えることができる。本明細書で開示される構成要素内の積層型ＣＭＵＴ構造体は、例えば、単一要素変換器、１次元アレイ、１．５次元アレイ、１．７５次元アレイ、２次元アレイ、環状アレイ等の任意の構成となるように設計することができる。また、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体は、前述のものと同一または異なる構成を有し得る。
【００４４】
図１２Ａおよび１２Ｂは、ＩＶＵＳまたはＩＣＥプローブカテーテル内で回転変換器または変換器アレイとして使用される、積層型変換器を有する構成要素１２１０を含む、システム１２００の例示的な実装形態を示す。カテーテル１２２２は、カテーテルの環状部に位置する同軸上で移動可能なプローブ１２２０を含む。プローブ１２２０は、カテーテル１２２２の遠位開口から伸縮可能であってよく、プローブ１２２０は、その上に装着される構成要素１２１０を含む。図１２Ｂに示すように、構成要素１２１０は、本明細書で開示される実装形態に従って、第１のＣＭＵＴ１２１１を含み、その上に第２のＣＭＵＴ１２１２が位置する。第１のＣＭＵＴ１２１１は、任意選択的に基板１２１５上に形成することができる。第１のＣＭＵＴ１２１１は、第１の撮像領域１２３０での撮像を達成するために第１の周波数で超音波撮像を行うように構成することができ、一方第２のＣＭＵＴ１２１２は、第２の撮像領域１２５０での撮像を達成するために第２の周波数で超音波撮像を実行するように構成することができる。
【００４５】
図１３Ａおよび１３Ｂは、前方視型プローブまたはカテーテル１３２２内の変換器または変換器アレイとして、積層型変換器を有する構成要素を使用するためのシステム１３００の、例示的な実装形態を示す。プローブ１３２２は、ＩＶＵＳ／ＩＣＥ撮像または他の撮像目的に使用することができる。プローブ１３２２は、超音波撮像を行うためにその遠位端に装着される、環状の変換構成要素１３１０を含む。図１３Ｂに示すように、構成要素１３１０は、本明細書で開示される実装形態に従って、第１のＣＭＵＴ１３１１を含み、その上に第２のＣＭＵＴ１３１２が位置する。第１のＣＭＵＴ１３１１は、任意選択的に基板１３１５上に形成されてもよく、第１のＣＭＵＴ１３１１および第２のＣＭＵＴ１３１２は、それぞれ、中央環状部１３４０の周辺に位置付けられる、半径方向に配置されるＣＭＵＴのアレイ（例えば、リングアレイ）であり得る。第１のＣＭＵＴ１３１１は、第１の撮像領域１３３０での撮像を達成するために、第１の周波数で超音波撮像を実行するように構成することができ、一方第２のＣＭＵＴ１３１２は、第２の撮像領域１３５０での撮像を達成するために、第２の周波数で超音波撮像を実行するように構成することができる。
【００４６】
図１４Ａおよび１４Ｂは、側方視型プローブまたはカテーテル１４２２内の変換器または変換器アレイとして、積層型変換器を有する構成要素１４１０を含むシステム１４００の例を示す。プローブ１４２２は、ＩＶＵＳ／ＩＣＥプローブカテーテルまたは他の種類の撮像プローブもしくはカテーテルであり得る。プローブ１４２２は、プローブ１４２２の遠位端の周囲に装着される、環状構成要素１４１０を含む。図１４Ｂに示すように、構成要素１２１０は、本明細書で開示される実装形態に従って、複数の第１のＣＭＵＴ１４１１を含み、その上に第２のＣＭＵＴ１４１２が位置する。第１のＣＭＵＴ１４１１は、任意選択的に基板１４１５上に形成されてもよく、複数の積層型ＣＭＵＴ１４１１、１４１２が、プローブ１４２２の外周の周りに取り付けられ、これによって、積層型ＣＭＵＴの円周アレイを形成することができる。第１のＣＭＵＴ１４１１は、第１の撮像領域１４３０での撮像を達成するために、第１の周波数で超音波撮像を実行するように構成することができ、一方第２のＣＭＵＴ１４１２は、第２の撮像領域１４５０での撮像を達成するために、第２の周波数で超音波撮像を実行するように構成することができる。
【００４７】
さらに、図１２〜１４の２つのＣＭＵＴ構造体、それぞれ１２１１および１２１２、１３１１および１３１２、ならびに１４１１および１４１２は、図１０Ａ〜１０Ｂの実装形態を参照して前述したように、撮像およびＨＩＦＵ用に動作するように構成することができる。通常、ＨＩＦＵおよび撮像の両方が、撮像ゾーンまたは切除ゾーンに超音波を集中させる必要があり、主要な差異は、各動作に使用される周波数およびエネルギーである。この場合、ＣＭＵＴ構造体のうちの１つは低周波数で動作し、通常ＨＩＦＵを行うように構成され、一方、もう１つのＣＭＵＴ構造体は高周波数で動作し、通常撮像を行うように構成される。例えば、図１２〜１４の実装形態では、それぞれのプローブ上のＣＭＵＴ構造体のうちの１つ（例えば、１２１１、１３１１、１４１１）は、ＨＩＦＵを行うための周波数で動作するように構成され、一方各それぞれのプローブ上のもう１つのＣＭＵＴ構造体（例えば、１２１２、１３１２、１４１２）は、撮像を行うための周波数で動作するように構成される。また、本明細書で開示される実装形態の他の使用および用途も、本開示を考慮して、当業者には明白となる。
【００４８】
前述のことから、本明細書で開示される実装形態が、垂直に積層されるか、または重なり合う構成の複数のＣＭＵＴを、隣接する単一構成要素として実装するための、構成要素、システム、および方法を提供することが、明白となる。さらに、一部の実装形態はＥＳＣＭＵＴに基づき、第２のＣＭＵＴをＥＳＣＭＵＴの表面プレート上に積層することができる。他の実装形態において、ＣＭＵＴを土台とする第２の構造体は、インターフェース回路、または例えば、圧力センサ、温度センサ、流量センサ等のセンサの、他の変換デバイスである。さらに、一部の実装形態において、２つのＣＭＵＴ構造体を、ＥＳＣＭＵＴ設計に基づき、一方を他方の上に、直接構築することができる。さらに、一部の実装形態において、ＣＭＵＴのうちの１つの表面プレートを特定の形状にパターン化して、ＣＭＵＴ性能を改善し、２つのＣＭＵＴ構造体の動作間の干渉を最低限に抑えることができる。一部の実装形態において、積層型ＣＭＵＴ構造体を異なる組み合わせで使用して、以下でさらに説明する、別個の送信および受信機能、二重送信、二重受信、または独立して動作するＣＭＵＴ等の、選択的用途のための所望の機能および性能を達成することができる。本明細書で記載される実装形態は、超音波システムに適合するＣＭＵＴ設計の柔軟性を大きく改善するのみならず、変換器の性能を飛躍的に改善することができる。一部の実装形態において、２つの積層型変換器構造体の位置は、リソグラフィによって画定され、これによって、一方が他方の上に構築される、２つの変換器の正確な位置合わせが可能になる。本明細書で開示される積層構成にある、変換デバイスおよびＣＭＵＴ構造体は、例えば、単一要素変換器、１次元アレイ、１．５次元アレイ、１．７５次元アレイ、２次元アレイ、または環状アレイ等の任意の構成となるように設計することができる。また、２つの積層型ＣＭＵＴ構造体は、同一または異なる構成を有し得る。
【００４９】
また、実装形態は、本明細書で開示される構成要素を作製および使用するための、方法、システム、および装置にも関する。さらに、図１、３〜８、１０、および１２〜１４に示す構成は、実装形態が提供され得る、純粋に例示的な構成要素およびシステムであり、実装形態が特定のハードウェア構成に限定されるものではないことに留意されたい。説明の中では、本開示の完全な理解を提供するために、説明目的で、多くの詳細について記載した。しかしながら、当業者には、これらの具体的な詳細の全てが必要とされるわけではないことが、明白となるであろう。
【００５０】
図１５Ａ〜１５Ｂは、ＣＭＵＴ構造体１１１上に重なり合う変換デバイス１１２を有する、図１に対応する構成要素のさらなる例示的な実装形態を示す。図１５Ａは、図６のＥＳＣＭＵＴに対応する、ＣＭＵＴ構造体１５１１ａの表面プレート６１１を土台とする、第１の例示的な変換デバイス１５１２ａを示す。他の実装形態において、ＣＭＵＴ構造体１５１１ａは、他の既知のＣＭＵＴ構造体であり得る。例えば、変換デバイス１５１２ａは、図７に示す第２のＣＭＵＴ構造体７１２のもの等の、ＣＭＵＴ構造体の可撓性要素／電極７２２／７２１上に構築することができる。例示的な変換デバイス１５１２ａは、熱線式流量センサまたは温度センサ１５６０であり得る。任意選択的に、１つ以上の集積回路（ＩＣ）１５５０を、センサ１５６０と一体化することができる。センサ１５６０は、１本以上のワイヤ１５６１を含み、３本のワイヤ１５６１ａ〜１５６１ｃが、図１５Ａの実装形態に示されている。ワイヤ１５６１上の熱負荷を減少させて、センサ１５６０の感度を向上させるように、ワイヤ１５６１ａ〜１５６１ｃのそれぞれの下に空洞１５６２が位置する。センサ１５６０が流量センサとして構成される場合、中央ワイヤ１５６１ｂは、導電材料から作製され、既知の様態で流量を測定するために使用することができる、加熱器（すなわち、抵抗加熱ワイヤ）として設計される。ワイヤ１５６１ａおよび１５６１ｃは、温度センサとなるように構成することができ、温度変化とともに変化する特性を有する材料（例えば、白金）から作製され得る。ワイヤ１５６１ａと１５６１ｃとの間の温度差を使用して、流量情報を判定することができる。ワイヤ１５６１ａまたはワイヤ１５６１ｃは温度変化に敏感であるため、センサ１５６０を単に温度センサとして使用することもできる。さらに、従来のＰＺＴ変換器と比較して、本ＣＭＵＴは、動作中ほんのわずかな熱しか発生しないため、変換デバイス１５１２ａのセンサとＣＭＵＴ１５１１ｂとは独立して動作することができる。
【００５１】
図１５Ｂは、図６のＥＳＣＭＵＴに対応する、ＣＭＵＴ構造体１５１１ｂの表面プレート６１１を土台とする、変換デバイス１５１２ｂの別の例示的な実装形態を示す。他の実装形態において、ＣＭＵＴ構造体１５１１ｂは、他の既知のＣＭＵＴ構造体であり得る。例えば、変換デバイス１５１２ｂは、図７に示す第２のＣＭＵＴ構造体７１２のもの等の、ＣＭＵＴ構造体の可撓性要素／電極７２２／７２１上に構築することができる。図示の実装形態では、変換デバイス１５１２ｂは、所望の距離だけ離間する、ＣＭＵＴ１５１１ｂを土台とする２つの圧力センサ１５７０ａおよび１５７０ｂを含む。任意選択的に、圧力センサ１５７０ａおよび１５７０ｂにＩＣ１５５０を製造することができる。２つの圧力センサ間の圧力差が、隣接区域の媒体の流量情報を提供することができる。図１５Ｂに示す圧力センサ１５７０ａおよび１５７０ｂは、それぞれ可撓性膜１５７１、密閉された空洞１５７３、最上部電極１５７２、および本実装形態ではプレート６１１である底面電極を含む、静電圧センサであり得る。したがって、底面電極６１１は、ＣＭＵＴ構造体１５１１Ｂの最上部電極６１１でもあり得る。任意選択的に、圧電型圧力センサ等の他の圧力センサを、変換デバイス１５１２ｂ内で使用することができる。変換デバイス１５１２ｂのＣＭＵＴ１５１１ｂおよび圧力センサ（または流量センサ）は、２桁以上の差異を有するそれぞれの周波数で動作するため、圧力センサ（または流量センサ）１５１２ｂおよびＣＭＵＴ１５１１ｂは、互いに独立して動作することができる。
【００５２】
一部の用途において、図１５Ａおよび１５Ｂ等の実装形態は、現在利用可能ではないさらなる機能性を提供する。例えば、超音波撮像が生体内で行われるときには、幾つかの手順の間、血流情報も所望され得る。本明細書の実装形態に従う１つ以上のＣＭＵＴに流量／圧力／温度センサを組み込むことによって、これらの数的指標を撮像または治療手順と同時に監視することができる。さらに、図１５Ａ〜１５Ｂの変換デバイス１５１２は、単一ＣＭＵＴ１５１１の上に実装されるとして説明されているが、これらの変換デバイスは、積層型ＣＭＵＴ構造体を有する構成要素上にも同様に実装し得ることに留意されたい。例えば、変換デバイス１５１２ａまたは１５１２ｂは、図７の構成要素７００の第２のＣＭＵＴ構造体７１２の上、または図８Ａ〜８Ｂの第２のＣＭＵＴ構造体８１２の上に実装することができる。さらに、一部の実装形態は、上記では一方が他方の上に積層される２つのＣＭＵＴ構造体を有する構成要素として説明されているが、３つの異なる周波数等で動作するためなどの、一方が他方の上に積層される、本明細書で開示される３つ以上のＣＭＵＴ、または他の変換デバイスを有することも、本開示および特許請求の範囲内である。
【００５３】
構造的特徴および／または方法論的行為に特定の文言で、主題について記載したが、添付の特許請求の範囲において定義される主題は、上記の特定の特徴または行為に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、上述の特定の特徴および行為は、特許請求の範囲を実装する例示的形態として開示される。さらに、当業者は、同一目的を達成すると算定されるいずれの配置も、開示される特定の実装形態と置き換え得ることを認識する。本開示は、開示される実装形態の全ての適合および変形を網羅することを意図し、以下の特許請求の範囲で使用される条件が、本明細書において開示される特定の実装形態に本特許を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。むしろ、本特許の範囲は、以下の特許請求の範囲が権利を付与されるあらゆる同等物とともに、かかる特許請求の範囲によってその全体が決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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