(57)【要約】  ハーモニックな容量性のマイクロマシーン化された超音波変換器（「ｃＭＵＴ」）素子及び製造方法が提供される。好ましい実施例において、ハーモニックｃＭＵＴ素子は全体的に、非均一な質量分布を有する膜を含む。膜に沿って配置される質量負荷は、膜の質量分布を変化させるために利用され得る。質量負荷は、膜の一部であり得、膜と同じ材料、又は異なった材料で形成され得る。質量負荷は、膜の振動モードと対応するように、及び、膜のモードを調整又はシフトするように配置され得る。質量負荷は、膜のハーモニック振動を制御するために、膜に沿った所定の位置にも配置され得る。ｃＭＵＴは、膜、膜に近接する第１の電極、及び、基板に近接する第２の電極によって規定されるキャビティをも備え得る。他の実施例もまた、請求項に記載され開示される。
2007531357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜、及び、
前記膜の振動モードを、所定（predetermined）の周波数に調整するための膜周波数調整器、
を備えるｃＭＵＴ。
【請求項２】
前記膜周波数調整器が、膜の長さの少なくとも一部に沿った非均一の質量分布を有する膜を備える、請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項３】
前記膜周波数調整器が、前記膜に近接する（proximate）質量負荷（mass load）を備える、請求項２に記載のｃＭＵＴ。
【請求項４】
前記質量負荷が、複数の別個の質量負荷要素(mass load elements)を備える、
請求項３に記載のｃＭＵＴ。
【請求項５】
前記質量負荷が、ｃＭＵＴの電極要素である、請求項３に記載のｃＭＵＴ。
【請求項６】
前記質量負荷が金である、請求項３に記載のｃＭＵＴ。
【請求項７】
複数の質量負荷要素が、前記膜の周波数応答を修正（modify）する、請求項４に記載のｃＭＵＴ。
【請求項８】
前記膜が、複数の振動モードを有し、
前記膜周波数調整器が、前記複数の振動モードの少なくとも２つを高調波的に（harmonically）に関係付けるようにされる、
請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項９】
前記膜が、基本周波数において振動するようにされ、
前記膜周波数調整器が、前記膜が、前記基本周波数の２倍に実質的に等しい周波数において振動するように調整する、
請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項１０】
前記膜の振動モードと関連する位置において前記膜に近接する電極要素を更に備える、請求項１に記載のｃＭＵＴ。
【請求項１１】
膜を準備し、
前記膜の目標振動周波数を決定し、そして、
前記膜の長さの少なくとも一部に沿った、前記膜の質量分布を変更して、前記膜の目標振動周波数を誘導する（induce）、
ステップを含むｃＭＵＴの振動モードを制御する方法。
【請求項１２】
前記膜の前記目標振動周波数が、実質的に、前記膜の基本周波数の２倍である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記膜の長さの少なくとも一部に沿って前記膜の前記質量分布を変更するステップが、
前記膜の長さの少なくとも一部に沿って変化する厚さを有する膜を提供するステップ、
を含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記膜の長さの少なくとも一部に沿って前記膜の前記質量分布を変更する前記ステップが、
前記膜の長さの少なくとも一部に沿って変化する密度を有する膜を提供するステップを含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記膜が、第１の振動モード、及び、当該第１の振動モードの約２倍の周波数の第２の振動モードを有し、
前記膜が、前記第１の振動モードにおいて超音波エネルギーを送信し、前記第２の振動モードにおいて超音波エネルギーを受信するようにされている、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
膜を準備し、そして、
前記膜を、非均一な質量分布を持つことによって、所定の（predetermined）周波数においてエネルギーを受信するように構成する、
ステップを含むｃＭＵＴを製造する方法。
【請求項１７】
前記膜を、非均一な質量分布を持つように構成する前記ステップが、
前記膜に近接する（proximate）複数の質量負荷を提供するステップを含む、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記膜を、第１の振動モードにおいて超音波エネルギーを送信し、第２の振動モードにおいて超音波エネルギーを受信するようにさせるステップを更に含み、
前記第２の振動モードが、前記第１の振動モードの周波数の約２倍である、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記膜を、前記膜の振動モードが高調波的に（harmonically）関連するようにさせるステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記膜の振動モードに近接して電極要素を配置するステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全体的にチップ製造に関連し、より詳細には、ハーモニック容量性のマイクロ・マシン化された超音波変換器(ｃＭＵＴｓ：harmonic capacitive micromachined ultrasonic transducers)の製造に関連する。
【背景技術】
【０００２】
容量性のマイクロ・マシン化された超音波変換器は一般に、機械的要素と電子的要素を、非常に小さなパッケージ内で組み合わせる。機械的及び電子的要素は一緒に作動して、機械的エネルギーを電気的エネルギーに、及び、その逆に変換する。ｃＭＵＴｓは一般的に非常に小さく、機械的及び電子的パーツとの双方を持つので、それらは広く、マイクロ電子機械的システム(ＭＥＭＳ：micro-electronic mechanical systems)素子と呼ばれる。それらの極めて小さいサイズに起因して、ｃＭＵＴｓは、医学素子技術を含む、多くの異なった技術分野における、膨大なアプリケーションで使用され得る。
【０００３】
ｃＭＵＴｓに対する、医学素子分野における１つのアプリケーションは、柔らかい組織(tissue)の画像化である。組織のハーモニック画像化(tissue harmonic imaging)は、医学的超音波画像化において重要になってきた。何故なら、それは、画像化された組織についての特有の情報を提供するからである。ハーモニック画像化において、超音波エネルギーは、送信中に、中央周波数(ｆ0)において、画像化アレイから組織に送信される。超音波エネルギーは、特に高振幅レベルにおいて、非線形な態様で組織と相互作用し、入力周波数の、より高いハーモニックス(harmonics)、例えば２ｆ0、における超音波エネルギーが、生成される。これらのハーモニックス信号は、次に、画像化アレイによって受信されて、画像が形成される。ハーモニックス画像化中に、良い信号対ノイズ比を持つために、画像化アレイ内の超音波変換器は、好ましくは、基本周波数ｆ0と第１ハーモニックス周波数２ｆ0の双方の周りで感度が良い状態であり得る。
【０００４】
従来的な超音波変換器は、そのようなやり方で動作する能力を持たない。例えば、圧電変換器（piezoelectric transducers）は、ハーモニックス画像化のアプリケーションには適していない。何故なら、それらの変換器は、基本周波数(ｆ0)及びその奇数ハーモニックス(３ｆ0、５ｆ0、等)においてのみ効率的である傾向を持つからである。圧電変換器の奇数ハーモニックス効率を補償するために、変換器は一般的に、減衰(damped)され、複数の(several)マッチング層が用いられて、広帯域(〜90％部分帯域：fractional bandwidth)変換器が生成される。しかし、このアプローチは、感度と帯域幅の間のトレード・オフを必要とする。何故なら、背面(backing)及びマッチング層に起因して大きなエネルギーが失われるからである。更に、従来的な圧電変換器及び製造方法によっては、素子製造者は、従来的な圧電変換器の振動ハーモニックス(vibration harmonics)を制御又は調整することが不可能である。
【０００５】
従来的なｃＭＵＴｓは、一般的に、組織ハーモニック画像化に適するようにも構成されていない。例えば、従来的なｃＭＵＴは、ｃＭＵＴｓ膜のマルチプルの振動モードに適応されておらず、それを利用しない。むしろ、従来的なｃＭＵＴｓは、従来的な圧電変換器と同様に、ｃＭＵＴｓ膜(membrane)の第１の振動モードだけを利用してきた、実質的に均一な円形(circular)又は矩形の(rectangular)膜を持つ。更に、従来的なｃＭＵＴｓ及び製造方法は、調整可能な振動モード又は制御可能な振動ハーモニックスを持つ能力があるｃＭＵＴｓを提供しない。従来的なｃＭＵＴｓタイプの設計に起因して、合理的な信号対ノイズ比を持つために、９０％部分帯域幅が通常所望されている。しかし、この部分帯域幅は、医学的画像化アプリケーションのための、ｃＭＵＴｓ膜のマルチプルの振動次数(order)の使用を除外する。特に、従来的なｃＭＵＴｓ設計は、広い帯域幅に亘るより高い感度を実現するために最適化されておらず、又は、ｃＭＵＴｓ膜のマルチプルの振動モードを利用(exploit)するために適応されていない。
【０００６】
＜関連出願への相互参照及び優先権主張＞
本出願は、米国仮出願シリアル番号60/548,192(2004年2月27日)の利益を主張する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故、組織ハーモニック画像化アプリケーションのためのｃＭＵＴｓ素子の性能を増大及び強調させるための強化された(enhanced)膜を持つｃＭＵＴｓの製造を可能とするｃＭＵＴｓ製造方法に対する技術における必要性が存在する。
【０００８】
更に、ｃＭＵＴｓ素子の性能を増大及び強調させるために、膜のマルチプルの振動モード及びマルチプルの振動ハーモニックスを利用するために、ｃＭＵＴｓを製造するための技術に対するニーズが存在する。
【０００９】
更に、ｃＭＵＴｓ膜のための異なった振動モードに関連する周波数を用いて超音波エネルギーを受信し、送信する能力を持つｃＭＵＴｓ素子のための技術へのニーズが存在する。
【００１０】
更に、ハーモニックス的に関連する振動モードを有する膜を持つｃＭＵＴｓ素子の技術に対するニーズが存在する。
【００１１】
本発明の実施例が主に指向するものは、そのようなｃＭＵＴｓ製造及びｃＭＵＴｓ画像化アレイ製造の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ハーモニックｃＭＵＴｓアレイ変換器製造方法及びシステムを含む。本発明は、画像化アプリケーションのための、超音波エネルギー又は波(waves)の送信及び受信を最適化するための、強化された膜、及び、マルチプル・エレメント電極を持つｃＭＵＴｓを提供する。これは、特に、医学的画像化アプリケーションにおいて有用であり得る。本発明のｃＭＵＴｓは、所定の(predetermined)周波数を受信するために適した、非均一な質量分布を有する膜を持ち得る。本発明は、ハーモニック的に関連する振動モードを持つように適応され得る膜を有するｃＭＵＴｓをも提供する。更に、本発明は、作動周波数及び関連するハーモニックス(harmonics)と対応させるために、ｃＭＵＴｓ膜の振動ハーモニックスが調整され得るように製造される得る膜を有するｃＭＵＴｓを提供する。更にまた、本発明は、ｃＭＵＴｓ膜が、画像化媒体(imaging medium)内に浸された(immersed)ときに、ｃＭＵＴｓ膜のマルチプルの振動モードのピークの近傍に位置する電極を伴って製造されることが可能なｃＭＵＴｓを提供する。
【００１３】
ｃＭＵＴｓは、素子寄生容量を削減し、それによって、電気的特性を改善し、使用されるべき光学的検知方法を可能とするための、シリコン、水晶、又はサファイアのような、しかし、これに限定されない、誘電性又は透明な基板の上で製造され得る。更に、本発明の好ましい実施例によって構築されたｃＭＵＴｓは、血管内カテーテル(intravascular)及び超音波画像化のような含浸アプリケーション(immersion application)で使用され得る。
【００１４】
好ましくは、本発明は、膜、及び、膜の振動モードを調整するための膜周波数調整器を含むｃＭＵＴｓを備える。膜周波数調整器は、膜の少なくとも２つの振動モードが、ハーモニック的に関連するように、膜を調整できる。膜周波数調整器は、膜の長さの少なくとも一部に沿った、非均一な質量分布を有する膜を備え得る。質量の非均一性は、膜の厚さを変化させること、膜の密度(density)を変化させること、或いは例えば、膜に、膜に近接した(proximate)質量負荷を提供すること、によって提供され得る。質量負荷は、膜の長さに沿って質量の非均一性を提供する単一の質量源であり得る。或いは、質量負荷は、複数の、膜に沿った種々の位置に配置された、別個の質量負荷要素であり得る。
【００１５】
ｃＭＵＴｓは、ｃＭＵＴｓの電極要素である質量負荷を含み得る。質量負荷は、好ましくは金である。
【００１６】
複数の質量負荷要素は、膜の周波数応答を修正する。膜は、複数の振動モードを持ち得、膜周波数調整器は、膜の振動モードが、ハーモニック的に関連する(related)ように膜を調整し得る。膜は、基本周波数において振動するように適応され得、膜周波数調整器は、基本周波数の２倍と実質的に等しい周波数において振動するように膜を調整し得る。
【００１７】
本発明は、更に、膜を提供し、膜のターゲット振動周波数を決定し、膜の長さの少なくとも一部に沿った膜の質量分布を変更することによって、膜のターゲット振動周波数を誘導する(induce)ステップを含む、ｃＭＵＴｓの振動モードを制御する方法を含み得る。好ましい実施例において、膜のターゲット振動周波数は、実質的に、膜の基本周波数の２倍である。膜の長さの少なくとも一部に沿った膜の質量分布を変更するステップは、膜の長さの少なくとも一部に沿った変動する厚さを有する膜を提供すること、又は、膜の長さの少なくとも一部に沿った変動する密度を有する膜を提供すること、を含み得る。好ましくは、膜は、第１の振動モード、及び、第１の振動モードの周波数のほぼ２倍の第２の振動モードを持ち得、膜は、第１の振動モードにおいて超音波エネルギーを送信し、第２の振動モードにおいて超音波エネルギーを受信するようにされる。
【００１８】
本発明の好ましい実施例によってｃＭＵＴｓを製造する方法は、膜を提供し、所定の周波数においてエネルギーを受信するために非均一の質量分布を持つように膜を構成するステップを含む。非均一の質量分布を持つように膜を構成するステップは、膜に近接した複数の質量負荷を提供することを含み得る。第１の振動モードにおいて、膜に超音波エネルギーを送信させ、第２の振動モードにおいて超音波エネルギーを受信するようにさせる更なるステップであって、第２の振動モードが、ほぼ、第１の振動モードの周波数の２倍である、ステップが提供され得る。更に、膜は、膜の振動モードがハーモニック的に関連するようにされ得、そして、膜の振動モードに近接させて電極要素を配置する更なるステップが追加され得る。
【００１９】
本発明の好ましい実施例は、膜を備え、質量負荷が膜に近接する。質量負荷は、所定の周波数において膜がエネルギーを受信するようにさせられる。更に、膜が、膜の長さの少なくとも一部に沿った非均一な質量分布を持つように、複数の質量負荷が、膜の上に配置され得る。質量負荷は、膜の一部であり得、その近傍に配置され得、又は、それに沿って配置され得る。質量負荷は、膜とは異なった材料のものであり得る。膜は、膜の振動モードがハーモニック的に関係するように、膜の質量を分布させるための質量負荷を用いた、異なった厚さの領域を持つように形成され得る。或いは、膜の非均一な質量分布の一部は、変動する厚さの領域を持つように膜をパターニングすることによって形成され得る。ハーモニックなｃＭＵＴｓは、膜によって規定されるキャビティ、膜に近接する第１の電極、及び、基板に近接する第２の電極をも含み得る。キャビティは、第１の電極と第２の電極の間に配置され得る。第１の電極及び第２の電極は、マルチプルの要素(multiple elements)を持つように構成され得る。
【００２０】
他の好ましい実施例において、ｃＭＵＴｓを製造するための方法は、基板に近接する膜を提供し、膜が、膜の長さの少なくとも一部に沿った非均一な質量分布を持つように構成することを含み得る。ｃＭＵＴｓを製造するための方法は、第１の伝導層に近接する犠牲層を提供し、犠牲層に近接する第１の膜層を提供し、第２の伝導層に近接する第２の膜層を提供し、犠牲層を除去することをも含み得る。第１の及び第２の膜層は、膜を形成できる。ｃＭＵＴｓ製造方法は、膜の振動モードの周波数及び形状をシフトし、膜が、超音波エネルギーを受信するための受信状態、及び、超音波エネルギーを送信するための送信状態で作動するようにさせること、をも含み得る。
【００２１】
更に他の好ましい実施例において、ハーモニックｃＭＵＴｓを制御するための方法は、膜の振動モードを決定し、膜の上に１つあるいはそれ以上の質量負荷を配置して、所定の周波数に対応する膜振動モードを誘導(induce)すること、を含み得る。ハーモニックｃＭＵＴｓは、膜に近接する頂部電極、基板に近接する底部電極、及び、膜と底部電極の間のキャビティを持ち得る。ハーモニックｃＭＵＴｓを制御するための方法は、膜の振動モードと対応させるための第１の電極要素を配置することをも含み得る。第１の電極要素は、頂部電極、及び／又は、底部電極の一部であり得る。所定の周波数は、実質的に、膜の基本周波数の２倍であり得る。膜は、第１の振動モード、及び、第１の振動モードの周波数の、ほぼ２倍である第２の振動モードを持ち得る。膜は、第１の振動モードにおいて超音波エネルギーを送信し、第２の振動モードにおいて超音波エネルギーを受信するようにされ得る。
【００２２】
本発明の種々の好ましい実施例を特徴付ける、これらの、及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な記述を読むことによって、及び、対応する図面を検討することによって、明白となろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
ｃＭＵＴｓは、圧電超音波変換器の代替物として、特に、マイクロ・スケール及びアレイ・アプリケーションのために開発されてきた。ｃＭＵＴｓは、一般的に、表面がマイクロマシン化され、１次元又は２次元のアレイに製造され得、特定のアプリケーション用にカスタマイズされ得る。ｃＭＵＴｓは、帯域幅及びダイナミック・レンジの点で、圧電変換器と比肩すべき性能を持ち得るが、一般的に、圧電変換器に比べて非常に小さい。
【００２４】
ｃＭＵＴは、一般的に、電導性の基板の上(above)に吊るされた膜内に配置された頂部電極、又は、基板に近接又はカップルされる底部電極を含む。接着層又は他の層が、基板と底部電極の間に選択的に配置され得る。膜は、膜が、刺激(stimuli)に応答して変動することを可能とする電力的な特性を持ち得る。例えば、刺激には、膜の上に圧力を与える外部力、及び、ｃＭＵＴ電極を通じて印加される弾性力が含まれ得るが、これに限定されない。
【００２５】
ｃＭＵＴは、しばしば、音響波を送信し、受信するために用いられる。音響波を送信するために、ＡＣ信号及び大きなＤＣバイアス電圧が、ｃＭＵＴ膜内に配置されたｃＭＵＴ電極に印加される。或いは、電圧が、底部電極に印加され得る。ＤＣ電圧は、膜を、変換器が効率的であり、ｃＭＵＴ素子の応答が線形化されような位置に引き下げ得る。ＡＣ電圧は、気体又は液体のような包囲媒体内で音響波を生成するために、膜を所望の周波数における動作状態に設定し得る。衝突する音響波がｃＭＵＴ膜を動作状態に設定するときに、音響波を受信するために、ｃＭＵＴ電極(electrodes)の間のキャパシタンス変化が測定され得る。
【００２６】
本発明は、ｃＭＵＴの振動ハーモニックス(vibration harmonics)を制御するための、強化された膜を備えるｃＭＵＴｓを提供する。本発明によるｃＭＵＴ膜は、膜の長さに沿った、非均一な質量分布を持ち得る。膜は、例えば、実質的に均一な厚さを持ち得るが、密度における変動を持つことによって、質量分布(mass distribution)プロファイルを提供する。或いは、質量分布は、膜の厚さを変化させることによって提供され得る。もし、膜が、実質的に均一な厚さと密度を有する単一の材料から形成されるならば、質量負荷(mass loads)もが利用され得る。
【００２７】
膜に沿って質量分布(mass distribution)を制御することは、ｃＭＵＴ膜の振動ハーモニックス(vibration harmonics)が、制御されることを可能とする。例えば、マルチプルの質量負荷は、膜振動モードのシフト又は調整を支援するために、膜に近接され（proximate）得、その一部で有り得、又は、それに沿って配置され得る。非均一質量分布を有するｃＭＵＴ膜は、超音波のような超音波エネルギーの送信及び受信を強調できる。非均一な質量分布、及び、ｃＭＵＴ膜の振動モードに対応する複数の電極を有するｃＭＵＴ膜は、送信及び受信中に、所望されている別個の周波数レンジを持つ超音波のような、超音波エネルギーの送信及び受信を強調（enhance）できる。更に、本発明による、強化された膜を有するｃＭＵＴは、超音波信号を送信及び受信するために、ｃＭＵＴ膜の基本作動周波数、及び、基本作動周波数のハーモニック周波数、を利用できる。
【００２８】
本発明によってｃＭＵＴｓを製造するための模範的な装置は、ＰＥＣＶＤシステム、ドライ・エッチング・システム、メタル・スパッタリング・システム、ウェット・ベンチ、及び、ホト・リソグラフィー装置を含みうるが、これに限定されない。本発明によって製造されたｃＭＵＴは、一般的に、ビルド・アップ・プロセス（build-up process）において、基板上に蒸着（deposited）され、パターン化された材料を含む。本発明は、ほぼ250℃（これは、好ましくは、金属犠牲層が使用されるときの最大プロセス温度である）において、種々の窒化シリコン層を蒸着するために、低温ＰＥＣＶＤプロセスを利用できる。或いは、他の、他の好ましい実施例による本発明は、ほぼ300℃において、犠牲層として蒸着されたアモルファス・シリコン犠牲層を利用し得る。
【００２９】
さて、ここで図面を参照して、本発明の好ましい実施例を以下説明する。これらの図面中、類似の記号は、類似の要素を示す。
【００３０】
図１は、本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴ100の断面図を示す。ＣＭＵＴ100は一般的に、基板105に近接した、種々の構成要素を備える。これらの構成要素は、基板105、底部電極110、キャビティ105、膜115、第１の頂部電極要素130Ａ、第２の頂部電極要素130Ｂ、及び、第３の頂部電極要素130Ｃを含み得る。ｃＭＵＴ100は、質量負荷155、160をも含み得る（これらの要素は、図面中で強調されて示されており、正確な寸法を表現していないとが理解される）。質量負荷155,160は、膜115に近接し、その上に蒸着され、又は、それに沿って配置され得る。そして、質量負荷155,160は、膜115からは別個のもので有り得、又は、一体（integral with）であり得る。図面5及び６を参照して以下に更に詳細に説明されるように、ｃＭＵＴイメージング・アレイにおいて、複数のｃＭＵＴｓ100が使用され得る。
【００３１】
基板105はシリコンで形成され得、信号生成及び受信回路を含み得る。基板105は、光検知方法を利用可能とする材料、好ましくは透明のものをも含み得る。基板105は、ｃＭＵＴ100が、超音波エネルギー又は音響波を送信及び受信することを可能とする、少なくとも部分的に基板105内に埋め込まれた集積回路165を備え得る。代替的実施例において、集積回路165は、基板105に近接する他の基板（不図示）上に配置され得る。
【００３２】
集積回路165は、電気的及び光学的信号を生成し、受信するようにされ得る。集積回路165は、信号を画像プロセッサ170に提供するようにもされ得る。例えば、集積回路165は、画像プロセッサ170にカップルされ得る。集積回路165は、信号生成回路と受信回路の双方を含み得るし、或いは、別個の、集積された生成及び受信回路が利用され得る。画像プロセッサ170は、集積回路165によって受信された、又は、検知された信号を処理し、電気的及び光学的信号から画像を生成するようにされ得る。
【００３３】
底部電極110は、基板105の上に蒸着され得、パターン化され得る。代替的実施例において、接着層（不図示）が、基板105と底部電極110の間に蒸着され得る。底部電極110を、基板105に充分に接着するために、接着層が使用され得る。接着層は、クロミウム（chromium９、又は、底部電極110を、基板105に接着する能力を持つ他の材料で形成され得る。底部電極110は、好ましくは、金又はアルミニウムのような電導性の材料から製造される。底部電極110は、マルチプルの、別個の電極要素（不図示）にもパターン化され得る。底部電極110のマルチプルの電極要素は、頂部電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃに類似するものであり得る。後の製造工程において、電極要素のいくつかが電気的にカップルされ得るが、底部電極110のマルチプルの要素は、底部電極110のマルチプルの要素の上に蒸着された隔離層によって、互いに隔離され得る。隔離層は、底部電極110を、ｃＭＵＴ100を形成するために使用される他の材料から保護するためにも利用され得る。
【００３４】
膜115は、好ましくは、膜115が、基板105に対して変動（fluctuate）することを可能とする弾性的特性を有する。好ましい実施例において、膜115は窒化シリコンを含み、マルチプルの膜層から形成される。例えば、膜115は、第１の膜層及び第２の膜層から形成され得る。更に、膜130は、側部領域117,117、及び、中央領域118を持ち得る。ここに示されるように、中央領域118は、一般的に、側部領域116、117の間に等しく（equally）配置され得る。
【００３５】
膜115は、キャビティ150をも規定し得る。キャビティ150は、一般的に、底部電極110と
膜115の間に配置され得る。キャビティ150は、一般的に、底部電極110と膜115の間に配置される犠牲層を除去、又は、エッチングすることによって形成され得る。隔離層を用いる実施例においては、キャビティは、一般的に、隔離層と膜115の間に配置されることになる。キャビティ150は、膜115が、外部圧力又は静電力のような刺激（stimuli）に応じて変動（fluctuate）ことを可能とするチャンバを提供する。
【００３６】
好ましい実施例において、膜115は、膜115内に配置されたマルチプルの電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃを含む。或いは、単一の電極又は電極要素が、膜115内に配置され得る。２つ或いはそれ以上のマルチプルの電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、電気的にカップルされて、電極要素の組（pair）を形成し得る。好ましくは、側部電極要素130Ａ、130Ｃが、膜115の側部116、117に、より近い位置に形成され、中央電極要素130Ｂが、膜115の中央領域118に、より近い位置に形成される。電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、金又はアルミニウムのような電導性の材料を用いて製造され得る。電極要素の組を形成するために、側部電極要素130Ａ及び130Ｃは電気的にカップルされ、中央電極要素130Ｂから隔離され得る。電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、同じ電導性の材料から形成され得、所定の（predetermined）位置、及び、膜115内の変動する幾何学的構成を持つようにパターン化され得る。側部電極の組130Ａ、130Ｃは、中央電極130Ｂより短い幅を持ち得る。そして、少なくとも130Ａ、130Ｃの組の一部の基板からの距離が、基板105から中央要素130Ｂまでとほぼ同じ距離に配置され得る。代替的実施例において、追加の電極要素が、基板105からの変動する距離において、膜115内に形成され得る。
【００３７】
電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、超音波音響波のような超音波エネルギーを送信し、受信するようにされ得る。測部電極要素130Ａ、130Ｃには、第１の電圧源175（Ｖ1）から第１の信号が与えられ得、中央電極130Ｂには、第２の電圧源180（Ｖ2）から第２の信号が与えられ得る。電極要素130Ａ、130Ｃの１つに供給される電圧又は信号が、他の電極要素130Ａ、130Ｃに供給されるように、側部電極要素130Ａ、130Ｃは、電気的にカップルされ得る。これらの信号は、ＤＣバイアス電圧及びＡＣ信号のような電圧であり得る。
【００３８】
側部電極要素130Ａ、130Ｃは、膜115を、超音波を送信するための、比較的大きなギャップの形状に形成するようにされ得る。送信中に、より大きな送信圧力を可能とするようなギャップ・サイズを用いることが望ましい。更に、側部電極要素130Ａ、130Ｃは、膜115を、超音波を受信するための、比較的小さなギャップの形状に形成するようにされ得る。ｃＭＵＴ100の、より大きな感度を可能とする受信のための、小さくされたギャップ・サイズを用いることが望ましい。中央電極要素130Ｂと、側部電極要素130Ａ、130Ｃの双方が、超音波のような超音波エネルギーを受信及び送信できる。
【００３９】
ｃＭＵＴ100は、膜115の形状を変更することによって、超音波エネルギーの送信及び受信のために最適化され得る。電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃには、膜115の形状を変更するための、電圧源175、180（Ｖ1、Ｖ2）からの、変動するバイアス電圧及び信号が与えられ得る。更に、種々の電圧及び信号を提供することによって、ｃＭＵＴ100は、２つの状態、即ち、送信状態及び受信状態、で作動し得る。例えば、受信状態中には、側部電極要素130Ａ、130Ｃには、音響超音波を受信するために膜115の形状を最適化するために、第１の電圧源175（Ｖ1）からＤＣバイアス電圧が与えられ得る。
【００４０】
本発明の好ましい実施例において、膜115は、膜の長さ（length）に沿った、非均一の質量分布を持つ。膜115は、膜の長さに亘って変化する質量分布を持つ。この変動は、次の１つあるいはそれ以上の結果であり得る：変動する厚さ、密度、材料組成、及び、膜の長さに沿った他の膜特性。
【００４１】
好ましい実施例において、質量負荷155、160が、膜115の上に配置され、パターン化されることによって、膜115が、非均一の質量分布を持つようにする。或いは、膜115は、膜115の長さに沿った一定の点が、厚さ、及び／又は、密度の変動に起因して、変動する質量を持つように、非均一の質量分布を持つようにパターン化され得る。
【００４２】
質量負荷155、160は、好ましくは、金を含むがこれに限定されない、緻密な、可鍛な（malleable）材料で形成される。多くの他の、緻密な、可鍛な材料が、質量負荷155、160を形成するために使用され得る。金は、緻密で、柔らかい材料であり、従って、膜の硬さ（stiffness）に起因する膜振動と干渉（interfere）しないので、金が望ましい。本発明の好ましい実施例において、質量負荷155、160は、ほぼ、１マイクロ・メータの厚さを持ち、ほぼ２マイクロ・メータの幅を持つ。質量負荷1555,160のサイズと形状は、所望の結果を実現するために修正され得る。質量負荷155,160はそれぞれ、側部116,117に近接し得る。２つより多くの質量負荷155、160もまた、他の実施例で利用され得る。質量負荷155、160は、膜115の振動及び変動（fluctuation）を制御又は調整するために使用され得る。例えば、質量負荷155、160は、膜115の特定の振動モードのピーク振動領域と対応するように配置され、又は、置かれうる。
【００４３】
膜115の弾性的な特性に起因して、膜115は、種々の周波数で振動し得、マルチプルの振動モードをも持ち得る。例えば、膜115は、第１の次数の振モードに加えて、他のより高い次数の振動モード（例えば、第２次数、第３次数、等）を持ち得る。膜115の振動モードを調整することは、改善されたｃＭＵＴ100の性能という結果をもたらし得る。例えば、ｃＭＵＴ100によって用いられる作動周波数及び作動周波数のハーモニックスにおいて発生するように、膜115の振動モードをシフトすることは、使用時に、膜115が、これらの周波数で共振することを可能とし、結果として、超音波エネルギーの効率的な送信及び受信をもたらす。
【００４４】
電圧源175、180に印加される、及び、そこから受信される信号の組合せによって、超音波エネルギーの送信は、所定の周波数において最小化され得、その特定の周波数において、受信信号は最大化され得る。膜115の質量分布を修正することは、膜115の振動モードを、ｃＭＵＴ100に対する周波数スペクトラム内の所望の位置にシフトすることを支援し得る。例えば、膜115は、膜115が、所定の周波数を受信するように、質量負荷が与えられたものであり得る。所定の周波数は、ｃＭＵＴ100によって送信される信号の第１ハーモニック周波数のようなハーモニック周波数であり得る。
【００４５】
図２は、本発明の好ましい実施例による、ハーモニックｃＭＵＴ100のサンプル・パルス・エコー周波数スペクトラムを示す。ここに示されるように、ハーモニックｃＭＵＴ100に対する周波数応答205は、第１のピーク210と第２のピーク220を持つ。第１のピーク210は、実質的に、作動周波数（ｆ0）を中心としたその周りにある送信周波数レンジ215と一致し得る。第２のピーク220は、実質的に、作動周波数の第２ハーモニック周波数（2＊ｆ0）を中心としたその周りにある、受信周波数レンジ225と符合し得る。ｃＭＵＴ100の膜115は、第１振動次数の周波数が、作動周波数（ｆ0）を中心としたその周りにあり、第２振動次数の周波数が、作動周波数の第２ハーモニック周波数（２＊ｆ0）を中心としたその周りにあるように調整され得る。そのような構成は、膜115の１つあるいはそれ以上の振動モードが、振動モードのピークが、作動周波数及び作動周波数のハーモニックスに対応するように、ハーモニカルに関連することを可能とする。
【００４６】
ｃＭＵＴ100の膜115は、図２に示されるような周波数応答を持つように強化（enhanced）され得る。膜は、所望の作動周波数、及び、作動周波数の第２のハーモニックにおいて、超音波エネルギーを送信し、受信するようにされ得る。本発明は、ｃＭＵＴ膜に対応するマルチプルの振動モードにおいて作動するようにｃＭＵＴ膜を強化するためにも使用され得る。例えば、膜115は、膜115の第３振動モードが移動することを支援するために、質量負荷を膜115上の所定の（certain）位置に配置する（locating）ことによって調整され得る。第３ハーモニック周波数レンジにおいて送信される、及び、受信される信号を改善するために、膜115の第３の振動モードは、第３ハーモニック周波数（３＊ｆ0）に対応させるために移動又は調整され得る。更に、所定のハーモニック周波数と対応するように振動モードをシフトするために、振動モードをシフトすることによって、広い帯域幅がハーモニック周波数の周りに生成され得、それによって、膜115の、送信される、及び、受信されるレンジが増加させられる。
【００４７】
図３は、本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴを製造するために利用される製造プロセスを示す。一般的に、製造プロセスは、種々の材料の層を、基板の上に蒸着し、所定の構成で種々の層をパターニングして、基板105上にｃＭＵＴ100を製造することを含む構築（build-up）工程である。
【００４８】
本発明の好ましい実施例において、Shipley S-1813のようなホトレジストが用いられて、ｃＭＵＴの種々の層をリソグラフィカルに規定する。そのようなホトレジスト材料は、ビアス（vias）と材料層のパターニングのために、従来的な高温の使用を必要としない。或いは、多くの他のホトレジスト又はリソグラフィック材料が、使用されうる。
【００４９】
本製造プロセスにおける第１のステップは、基板105の上に底部電極110を提供する。基板105は、シリコン、水晶、ガラス、サファイアのような誘電性の材料を備え得る。いくつかの実施例において、基板105は、集積電子回路を備え得る。そして、集積電子回路は、信号を送信及び受信するために隔離され得る。或いは、適切な信号送信及び受信電子回路を含む基板105に近接して配置された第２の基板（不図示）が使用され得る。電導性材料のような電導性の材料が、底部電極110を形成し得る。底部電極110は、シリコン基板105をドーピングすること、又は、基板105の上で金属のような電導性材料層をディ・ドーピング及びパターニングすることによっても形成されうる。更に、ドープされたシリコン底部電極110を持った状態では、頂部電極の全ての非移動部分が、寄生キャパシタンスを増加させ得、それによって、素子性能を劣化させ得、殆どの光学スペクトラムのための光学的検知技術を禁止し得る。
【００５０】
これらの不利な点を克服するために、パターン化された底部電極110が使用され得る。図３（ａ）に示されるように、底部電極110は、基板105とは異なった長さを持つようにパターン化され得る。底部電極110をパターニングすることによって、素子の寄生キャパシタンスは、大きく削減され得る。
【００５１】
底部電極110は、マルチプルの電極要素にパターン化され得る。そして、マルチプルの電極要素は、基板105から変動する距離に配置され得る。アルミニウム、クロミウム（chromium）及び金が、底部電極110を形成するために使用され得る模範的実施例な金属である。本発明の１つの好ましい実施例において、底部電極110は、約1500オングストロームの厚さを持つ。そして、蒸着の後に、それは、回折格子（diffraction grading）としてパターン化され得、或いは、種々の長さを持ち得る。
【００５２】
次のステップにおいて、隔離層315が蒸着される。隔離層315は、底部電極110の上に配置された他の層から、底部電極110の一部、又は、その全体を隔離できる。隔離層315は、窒化シリコンであり得、そして、好ましくは、約1500オングストロームの厚さを持つ。好ましい実施例によって、約250℃において隔離層315を蒸着するために、Unaxis 790 PECVDシステムが使用され得る。隔離層315は、ｃＭＵＴ製造中に使用されるエッチ液（etchant）から底部電極110又は基板105を保護することを支援しうる。一旦、隔離層315が底部電極層110の上に（onto）蒸着されると、隔離層315は、所定の厚さにパターン化され得る。代替的な、好ましい実施例においては、隔離層315は利用されない。
【００５３】
隔離層315が蒸着された後に、隔離層315の上に犠牲層320が蒸着される。犠牲層320は、好ましくは、単なる一時的な層であり、ｃＭＵＴ100内にキャビティ150を形成するために、製造中に、エッチされて除去される。隔離層315が使用されないときに、犠牲層320は、直接に底部電極110の上に蒸着され得る。ｃＭＵＴの製造中に、追加の層が蒸着されている間に、空間を保持するために、犠牲層320が使用される。犠牲層320は、約300℃でUnaxis 790 PECVDシステムを用いて蒸着され得るアモルファス・シリコンで生成され得、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：reactive ion etch）でパターン化され得る。スパッタされた金属も、犠牲層320を形成するために使用され得る。犠牲層320は、結果として生じるキャビティ又はビア（via）のための変動する幾何学的構成（geometrical configurations）を提供するために、異なったセクション、種々の長さ、及び、異なった厚さにパターン化され得る。
【００５４】
図３（ｂ）に示されるように、第１の膜層325は、次に、犠牲層320の上（onto）に蒸着される。例えば、第１の膜層325は、Unaxis 790 PECVDシステムを用いて蒸着され得る。第１の膜層325は、窒化シリコン、又は、アモルファス・シリコンの層であり得、約6000オングストロームの厚さを持つようにパターン化され得る。第１の膜層325の厚さは、特定の実装（implementation）に依存して変動し得る。犠牲層320の上（over）に第１の膜層325を蒸着することは、振動膜115の形成を助ける。
【００５５】
図３（ｃ）に示されるように、第１の膜層325のパターニングの後に、第２の電導性層330が、第１の膜層325の上（onto）に蒸着され得る。第２の電導性の層330が、ｃＭＵＴの１つあるいはそれ以上の頂部電極を形成し得る。第２の電導性層130は、互いに隔離され得る、異なった電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃにパターン化され得る。電極130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、基板105からの変化する距離において配置され得る。１つあるいはそれ以上の電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、電気的にカップルされて、電極要素の組を形成し得る。例えば、側部電極要素130Ａ、130Ｃは、互いにカップルされて、電極要素の組を形成し得る。好ましくは、形成された電極の組130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、中央電極要素130Ｂから隔離される。
【００５６】
電極の組130Ａ、130Ｃは、アルミニウム、クロミウム（chromium）、金、又はそれらの組合せのような電導性の金属から形成され得る。模範的な実施例において、電極要素の組130Ａ、130Ｂ、130Ｃは、約1200オングストロームの厚さを有するアルミニウム、及び、約300オングストロームの厚さを有するクロミウムを備える。アルミニウムは、良い電気的伝導性を与え、クロミウムは、蒸着中にアルミニウムの上に形成される、何らかの酸化層（oxidation）の円滑化（smoothing）を助け得る。更に、電極要素の組130Ａ、130Ｃは、同じ電導性の材料、又は、第１の電導性層110とは異なった伝導性の材料を備え得る。
【００５７】
次のステップにおいて、図３（ｄ）に示されるように、第２の膜層335が、電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃの上（over）に蒸着される。第２の膜層335は、製造のこのポイントにおいて、ｃＭＵＴ膜115の厚さを増加させ（第１の及び第２の膜層325、335によって形成される）、第２の伝導性層330を、ｃＭＵＴ製造中に使用されるエッチング液から保護する役目を果たし得る。第２の膜層335もまた、第２の電極要素130Ｂからの第１の電極要素130Ａの隔離を助け得る。第２の膜層は、約6000オングストロームの厚さであり得る。いくつかの実施例において、第２の膜層335は、第２の膜層335が、最適な幾何学的構成を持つように、蒸着及びパターニング技術を用いて調整される。好ましくは、好ましい幾何学的構成によって、一旦、第２の膜層335が調整されると、図３（ｆ）に示されるように、犠牲層320は、エッチングされて除去され、キャビティ150を残す。
【００５８】
第１の及び第２の膜層325、335は、膜115を形成できる。膜115は、外部圧力及び静電力のような刺激に応じて、変動又は共振（resonate）し得る。更に、膜115の弾性特性に起因して、膜115は、マルチプルの振動モードを持ち得る。これらの振動モードの位置は、本発明によってｃＭＵＴを設計及び製造するために有用である．例えば、第１の及び第２の電導性層310、330は、コンポジット膜の振動モードに近接（approximate）する、電極、又は、電極要素にパターン化され得る。そのような電極及び電極配置は、超音波エネルギーの効率的な受信及び送信を可能とし得る。更に、膜115に対する振動モードの位置は、膜115の、変化する質量分布によって調節され、制御され得る。
【００５９】
エッチング液が、犠牲層320に到達することを可能とするために、開口340、345は、ＲＩＥプロセスを用いて、第１の及び第２の膜層325、335を貫通してエッチングされ得る。図３（ｅ）に示されるように、犠牲層320へのアクセス通路は、エッチングにより、第１の及び第２の膜層325、335を除去することによって、開口部340、345において形成され得る。アモルファス・シリコン犠牲層320が用いられるときに、エッチング・プロセスの、シリコンへの選択性に注意すべきである。もし、エッチング・プロセスが、低い選択肢を持つならば、犠牲層320、隔離層315、そして、その下の基板105まで、エッチングすることは容易である。もし、これが起こるならば、エッチング液は、基板305を腐食させることができ、ｃＭＵＴ素子を破壊できる。犠牲層に使用される、エッチング液に耐性を持つ金属から底部電極110が形成されるときに、金属層は、エッチング抑制剤として振舞い得、基板105を保護する。当業者は、種々のエッチング液に習熟し、エッチング液を、エッチングされている材料にマッチングする能力を持つであろう。犠牲層320がエッチングされた後に、図５（ｆ）に示されるように、キャビティ350がシール342、347で覆われ得る。
【００６０】
キャビティ350は、隔離層315と膜層325、335の間に形成され得る。キャビティ350は、底部電極110と第１の膜層325の間にも配置され得る。本発明のいくつかの好ましい実施例に従って、キャビティ350は、所定の高さを持つように形成され得る。キャビティ350は、第１の及び第２の膜層325、335によって形成されたｃＭＵＴ膜115が、刺激に応じて変動（fluctuate）し、共振することを可能とする。犠牲層320のエッチングによってキャビティ350が形成された後に、キャビティ350は、第２の膜層335の上にシーリング層（不図示）を蒸着することによって真空シール（vacuum sealed）され得る。当業者は、キャビティ350内の圧力を設定し、次に、それをシールして、真空シールを形成するための種々の方法に精通するであろう。
【００６１】
シーリング層は、一般的に、キャビティ350の高さより厚い厚さを有する窒化シリコンの層である。模範的実施例において、シーリング層は、約4500オングストロームの厚さを持ち、キャビティ350の高さは、約1500オングストロームである。代替的実施例において第２の膜層335は、ローカル・シーリング技術を用いてシールされ、又は、所定の、加圧された状態の下でシールされる。第２の膜層335をシーリングすることは、ｃＭＵＴを、含浸アプリケーション（immersion application）に適応させる。シーリング層を蒸着した後に、ｃＭＵＴ膜115の厚さは、シーリング層をエッチング・バックすることによって調整され得る。何故なら、ｃＭＵＴ膜115は、所望の周波数において共振するためには厚過ぎるかもしれないからである。シーリング層をエッチングするために、ＲＩＥのようなドライ・エッチング・プロセスが使用され得る。
【００６２】
次のステップにおいて、マルチプルの質量負荷155、160を、第２の膜層335の上（onto）に蒸着することによって、ｃＭＵＴの膜の非均一の質量分布が実現され得る。マルチプルの質量負荷155、160は、第２の膜層335上の種々の位置に配置され得る。第２の膜層335上のマルチプルの質量負荷155、160の位置は、第１の及び第２の膜層325、335によって形成される膜115の振動モードに対応（correspond）し得る。第１の及び第２の膜層325、335によって形成される膜の振動モードを、一定の所定のエリアにシフト、又は、調整するために、マルチプルの質量負荷155、160もまた使用され得る。本発明のこの特徴は、興味の対象である特定の振動モードが、選択的に制御されることを可能とする。これらの所定のエリアは、電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃが、超音波音響波を送信及び受信するために使用され得るように、電極要素130Ａ、130Ｂの近傍に配置され得る。代替的実施例において、第２の膜層335が、非均一な質量分布を有する膜を形成するために、異なった厚さの領域を持つようにパターン化され得る。
【００６３】
本ｃＭＵＴ製造プロセスにおける最終ステップは、電気的に接続性を持たせるためのｃＭＵＴを準備する。特に、底部電極110の上で、隔離層315を貫通してエッチングするために、ＲＩＥエッチングが使用され得、電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃ上の第２の膜層335が、それらを、接続のためにアクセス可能とする。
【００６４】
追加のボンド・パッド（bond pads）が形成され得、電極に接続される。ボンド・パッドは、外部への電気的接続が、ワイヤ・ボンディングによって頂部及び底部電極110、130の上において為されることを可能とする。いくつかの実施例において、ワイヤ・ボンドの信頼性を改善するために、金が蒸着され、ボンド・パッド上でパターン化され得る。
【００６５】
本発明の代替的実施例において、第１の膜層325を蒸着した後に、犠牲層320がエッチングされ得る。代替的実施例では、ｃＭＵＴ100において、犠牲層320をエッチングし膜層325、335によって形成された膜115を開放（releasing）するステップを実行する前には少しの時間しか必要無い。頂部電極130は、未だ蒸着されていないので、第２の膜層335内のピンホールを通じて、エッチング液によって頂部電極330を破壊させ得るというリスクは存在しない。
【００６６】
図４は、本発明の好ましい実施例によって、ハーモニックｃＭＵＴ100を製造するための好ましい方法を説明する論理的フロー図を示す。第１のステップは、基板105（405）を提供することを含む。基板105は、不透明、半透明、又は、透明を含む種々の構造であり得る。例えば、基板150は、シリコン、ガラス、又は、サファイアであり得るが、これに限定されない。次に、基板105の上（onto）に隔離層が蒸着され得、所定の厚さを持つようにパターン化され得る（410）。隔離層は、オプショナルであり、いくつかの実施例において利用されないかもしれない。隔離層が基板105に接着することを確実にするためにまたは、底部電極110が、基板105に適切に接着し得るように、いくつかの実施例では接着層もまた使用され得る。
【００６７】
隔離層が、パターン化された後に、第１の電導層110が隔離層の上に蒸着され、所定の構成にパターン化される（415）。或いは、ドープされたシリコン基板表面のような、基板105のドープされた表面が、第１の電導層110を形成し得る。第１の電導層110は、好ましくは、ｃＭＵＴ100のための底部電極110を、基板105の上（on）に形成する。第１の電導層110は、マルチプルの電極要素を形成するようにパターン化され得る。マルチプルの電極要素の少なくとも２つが一緒にカップルされて、電極要素の組を形成し得る。
【００６８】
一旦、第１の電導層110が、所定の構成にパターン化されると、第１の電導層110の上に犠牲層320が蒸着される（420）。犠牲層320は、それが所定の厚さを持つように、選択的蒸着及びパターニング技術によってパターン化され得る。次に、第１の膜層325が、犠牲層320の上（onto）に蒸着され得る（425）。
【００６９】
蒸着された第１の膜層325は次に、所定の厚さを持つようにパターン化される。そして、第２の電導層130が、次に、第１の膜層325の上（onto）に蒸着される（430）。第２の電導層130は、好ましくは、ｃＭＵＴ100のための頂部電極130を形成する。第２の電導層130は、マルチプルの電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃを形成するようにパターン化され得る。マルチプルの電極要素130Ａ、130Ｂ、130Ｃの少なくとも２つが、一緒にカップルされて、電極要素の組を形成し得る。第２の電導層130が、所定の構成にパターン化された後に、第２の膜層335が、パターン化された第２の電導層130の上に蒸着される（435）。第２の膜層335もまた、オプショナルな幾何学的構成を持つようにパターン化され得る。
【００７０】
第１の及び第２の膜層325、335は、第２の電導層130をカプセル化（encapsulate）することによって、第１の及び第２の膜層325、335の弾性特性に起因して、それを、第１の電導層110に対して移動させることを可能とし得る。第２の膜層335がパターン化された後に、犠牲層320が、エッチングされて除去され、第１の及び第２の電導層110、130の間にキャビティ150を形成する（435）。第１の及び第２の膜層325、335の下に形成されたキャビティ150は、第１の及び第２の膜層325、335を、基板105に対して移動させて共振させるための空間を与える。次のステップにおいて、第２の膜層335の上（onto）にシーリング層を蒸着することによって、第２の膜層335がシールされる（435）。
【００７１】
最終ステップ（440）において、質量負荷が、第２の膜層335の上（on）に形成され得る。マルチプルの質量負荷もまた、第２の膜層335の上（on）に形成され得、それらは、第１の及び第２の膜層325、335によって形成される膜115の振動モードに対応する第２の膜層335の上のポイントにおいて配置され得る。質量負荷は、好ましくは、金のような、緻密で、可鍛な（malleable）材料で形成される。質量負荷は、膜層115が、変動する厚さの領域を持つように、膜層115の質量分布を変更することを支援できる。代替的な実施例において、膜層115は、変動する厚さ又は密度を持つ領域を持つようにパターン化され得る。
【００７２】
本発明の実施例は、ｃＭＵＴイメージング・システムのためのｃＭＵＴアレイを形成するためにも利用され得る。当業者は、図５及び６に説明されるｃＭＵＴイメージング・アレイが、単に説明目的のものであること、及び、本発明の実施例によって他のイメージング・アレイが実現可能であることを理解するであろう。
【００７３】
図５は、基板上のリング環状アレイ内に形成されたｃＭＵＴイメージング素子を示す。ここに示されるように、素子500は、基板505とｃＭＵＴアレイ510、515を含む。基板505は、好ましくは、円盤形状であり、素子500は、前方観取（forward looking）ｃＭＵＴイメージング・アレイとして利用され得る。素子500は、２つのｃＭＵＴアレイ510、515とともに図示されているが、他の実施例は、１つあるいはそれ以上のｃＭＵＴアレイを持ち得る。もし、１つのｃＭＵＴアレイが利用されるならば、それは、基板505の外側周囲の近傍に配置され得る。もし、マルチプルのｃＭＵＴアレイが利用されるならば、それらは、円形形状のｃＭＵＴアレイが、共通の中央ポイントを持つように、同心的（concentrically）に形成され得る。いくつかの実施例は、本発明のいつかの実施例による、異なった幾何学的構成を有するｃＭＵＴアレイをも利用し得る。
【００７４】
図６は、基板上で側部観取アレイ（side-looking array）に形成されたｃＭＵＴイメージング・アレイ・システムを示す。ここに示されるように、素子600は、基板605及びｃＭＵＴアレイ610,615を含む。基板605は、円筒形状であり得、ｃＭＵＴアレイは、基板605の外側表面にカップルされ得る。ｃＭＵＴアレイ610、615は、インターディジタルなやり方（interdigital fashion)にアレンジされ、側面観取ｃＭＵＴイメーじジグ・アレイのために用いられるｃＭＵＴ素子を備え得る。素子600のいくつかの実施例は、円筒形状の基板600の外側表面の上において、間隔が空けられた関係（spaced apart relation）での、１つあるいはマルチプルのｃＭＵＴイメージング・アレイ610、615を含み得る。
【００７５】
本発明は、ｃＭＵＴ膜の振動モードの位置を決定するために、そして、ｃＭＵＴ膜の振動モードを調整するための質量負荷の位置を決定するために、ｃＭＵＴ100又はｃＭＵＴアレイを分析することについても考察する。便宜上、以下で議論されるｃＭＵＴのコンポーネントは、図７を参照する。しかし、コンポーネントの特定の機能の記述、又は、コンポーネントの特定のアレンジメント及びサイズは、図７の範囲を限定することが意図されるものではなく、例示目的だけのために提供され、限定的ではない。
【００７６】
ｃＭＵＴを分析するためのアプローチは、水のような液体内でのｃＭＵＴ膜の動作をシミュレートすることである。例えば、ANSYSTMのような有限要素分析ツールが、ｃＭＵＴ膜の動作をシミュレートするために使用され得る。本発明の好ましい実施例において、膜は、約40μｍの幅、及び、約0.6μｍの厚さを持ち得る。或いは、他の寸法が、使用され得る。膜は、長くて、矩形であり得るので、１−Ｄ分析が使用され得る。他のシミュレーションは、２−Ｄや３−Ｄのような、他の次元的分析パラメータを用い得る。
【００７７】
ｃＭＵＴの静電アクチュエーションをシミュレートするために、１ｋPa（キロ・パスカル）の均一な圧力が、膜に印加され得る。結果としての、膜の振動プロファイルが、次に、計算され得る。図７は、膜に亘る、周波数の関数としての平均速度700を示す。ここに見られるように、スペクトラム705は、約8ＭＨｚと約24ＭＨｚにおけるヌル710、715における例外を除き、2-30ＭＨｚレンジにおいて比較的平坦である。膜の振動プロファイルを更に理解するために、図８に示されるように、膜に亘る最大速度が計算され、プロットされ得る。図８に示されるように、膜の速度は、５つのピーク805Ａ、805Ｂ、805Ｃ、805Ｄ、805Ｅを持ち得る。膜のローカルのピーク速度は、平均速度より大きい強度の次数（order of magnitude）より大きいものであり得る。
【００７８】
膜変位（displacement）プロファイルが、ピークが発生するような周波数の周りにプロットされたときに、平均速度でのヌルは、膜が、その第３及び第５共振（resonances）に近接して移動するような周波数において発生する。図９Ａ−Ｃは、0.8ＭＨｚと８ＭＨｚにおける、膜に亘る振動プロファイルを示す。これらの周波数は、膜の第１の及び第３の振動モードに対応する。ｃＭＵＴは、８ＭＨｚの周辺で、如何なる、相当の（considerable）圧力出力をも生成しないが、膜は、印加された圧力に応じて、大きな振幅でローカル的に振動する。それ故、特定のモードがピーク速度を持つような膜の部分に亘って、局所化された（localized）電極を配置することによって、大きな出力信号が、一定の周波数レンジの周辺で生成され得る。更に、特定の振動モードの位置（location）を選択的に変位させることによって、どこで、強化された応答が起こるかを決定できる。
【００７９】
本発明は、興味の対象である特定の膜振動モードの周波数を選択的に制御することによって、ｃＭＵＴ設計のために、より高い次数の振動モードを利用することをも考察する。例えば、これは、質量負荷を、膜上の所定の位置に配置することによって実現され得る。膜の、この質量分布は、質量負荷を、均一な膜の上に配置し、パターニングすることにより、非均一な質量分布を持つ膜をもたらすことによって変更され得る。例えば、第３の振動モードがターゲットとされ、質量負荷は、ピークひずみエネルギー（即ち、複数のピーク）を有する膜の領域の上に集中される。
【００８０】
金の高密度と低硬度に起因して、質量負荷は、好ましくは金である。金は、約１マイクロ・メータの厚さ、及び、約２マイクロ・メータの幅を持つように構成され得る。図１０Ａ−Ｂに示されるように、質量負荷は、ピーク変位位置（peak displacement locations）1015、1020において配置され得る。図１０Ａ−Ｂに示されるように、ピーク変位位置1015、1020に質量負荷を配置することによって、第３振動モード周波数が、約８ｋＨｚ（1105参照）から、約６．５ＭＨｚ（1110参照）にシフトされ得る。膜に対する第３振動モード周波数のシフトは、第２及び第４振動モードのような、膜の周りの（surrounding）振動モードに大きく影響を与えること無しに発生し得る。
【００８１】
上述の質量負荷アプローチの例として、図１１に示されるように、膜は、ｃＭＵＴスペクトラムにおける約８ＭＨｚに発生するヌルを削減するように設計され得る。膜は、第３振動モードに対応するように配置された、異なった質量負荷を持つ負荷が与えられ得る。膜は、約１マイクロ・メータの幅と厚さを持ち得、質量負荷は、約１マイクロ・メータの厚さ、及び、約２マイクロ・メータの幅を持ち得る。図１１に示されるように、膜に沿って質量負荷を配置すると、膜の平均速度が調整される。
【００８２】
図１１は、約８ＭＨｚで発生するヌル1110の削減を示す。従って、膜の形状を強化することによって、膜の周波数応答が最適化され得る。図１１で更に説明されるように、質量負荷は、殆どのスペクトラムに対して、膜の平均速度に大きくは影響を与えない。これは、膜の質量負荷が、ｃＭＵＴの全体的な効率を削減しないことを明らかにする。結果としての、ｃＭＵＴの周波数スペクトラムは、追加の質量負荷を、膜に沿って連続的に配置することによって、更に、その形状が修正され得る。
【００８３】
本発明によって考察される、より高い次数の振動モード制御を伴う、ｃＭＵＴを利用する好ましいアプリケーションは、ハーモニック・イメージングである。質量負荷は、ｃＭＵＴの周波数スペクトラムにおけるピークの位置を変化させるために使用され得るなので、所望の周波数レンジにおいて受信された信号は改善され得る。更に、上述のようにｃＭＵＴ電極を、マルチプルの要素にパターニングすることによって、マルチプルな要素に対してローカルな振動が選択的に検知され得る。例えば、約１０マイクロ・メータの幅を伴う側部電極要素、及び、約１５マイクロ・メータの中央電極要素を持つ、デュアル電極要素構造を有するｃＭＵＴが、異なった振動モードで発生する振動を選択的に検知するために使用され得る。
【００８４】
図１２は、ハーモニックｃＭＵＴの、予測された送信及び受信スペクトルを示す。超音波エネルギーの送信において、中央及び側部電極要素の双方が使用され得る。そして、超音波エネルギーを受信するために、側部電極要素だけが使用されうる。図１２が示すように、ハーモニックｃＭＵＴは、約４ＭＨｚの基本周波数の送信のために適した、広帯域幅の送信スペクトラム1300を持ち得る。更に、ハーモニック信号が８ＭＨｚの周りにあることを示す、受信された信号1310のスペクトラムは、送信されたスペクトラムに比較して、ほぼ１５ｄＢだけ増幅される。ハーモニック信号は、より多くの減衰に服するので、本発明は、強化された受信及び送信周波数スペクトラムを伴う、改善されたｃＭＵＴ設計を提供する。
【００８５】
本発明の種々の実施例が、特に、模範的実施例を参照して詳細に説明されてきた一方、当業者は、添付の請求項によって規定される本発明の範囲内で、変形と修正が加えられ得ることを理解するであろう。従って、本発明の種々の実施例の範囲は、上述の実施例に限定されるべきではなく、添付の請求項及び全ての適用可能な均等物によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴの断面図を示す。
【図２】本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴのサンプル・パルス・エコー周波数スペクトラムを示す。
【図３】本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴを製造するために利用される製造工程を示す。
【図４】本発明の好ましい実施例によるハーモニックｃＭＵＴを製造するために利用される製造工程を説明する演繹的なフロー図を示す。
【図５】本発明の好ましい実施例によるリング環状(annular)アレイに形成されたマルチプルのハーモニックｃＭＵＴｓを備えるｃＭＵＴイメージング・アレイ・システムを説明する。
【図６】本発明の好ましい実施例による側方観取アレイ(side-looking array)に形成されたマルチプルのハーモニックｃＭＵＴｓを備えるｃＭＵＴイメージング・アレイ・システムを説明する。
【図７】図７に示されたｃＭＵＴｓの表面に亘る周波数の関数としての計算された平均速度を示すグラフを説明する図である。
【図８】図１に説明されたｃＭＵＴ膜の表面に亘る周波数の関数としての計算されたピーク速度強度を説明するグラフである。
【図９Ａ】図１に説明されたｃＭＵＴ膜のための、約０．８ＭＨｚにおける振動プロファイルを説明する図である。
【図９Ｂ】図１に説明されたｃＭＵＴ膜に対する、ほぼ８ＭＨｚにおける振動プロファイルの強度を説明する図である。
【図９Ｃ】図１に説明されたｃＭＵＴ膜に対する、ほぼ８ＭＨｚにおける振動プロファイルの位相を説明する図である。
【図１０Ａ】その第３モードで振動しているｃＭＵＴ膜の断面を説明する図である。
【図１０Ｂ】ｃＭＵＴ膜に沿って配置された質量負荷の断面を説明する図である。
【図１１】図１で説明されたｃＭＵＴ膜に対する、質量負荷が課せられた場合と課せられない場合の平均速度の比較を説明する図である。
【図１２】ハーモニックＣＭＵＴに対する、送信及び受信電極要素に対応する、サンプル計算された平均速度の図である。
【符号の説明】
【００８７】
１００  ハーモニックｃＭＵＴ
１０５  基板
１１０  底部電極
１１５  膜
１１６  側部領域
１１７  側部領域
１１８  中央領域
１３０Ａ  頂部電極要素
１３０Ｂ  第２の頂部電極要素
１３０Ｃ  第３の頂部電極要素
１５０  キャビティ
１５５  質量負荷
１６０  質量負荷
１６５  集積回路
１７０  画像プロセッサ
１７５  第１の電圧源
１８０  第２の電圧源
２１０  第１のピーク
２１５  作動周波数（ｆ0）を中心としたその周りにある送信周波数レンジ
２２０  第２のピーク
２２５  受信周波数レンジ
３１５  隔離層
３２０  犠牲層
３２５  第１の膜層
３３５  第２の膜層
３４０  開口
３４２  シール
３４５  開口
３４７  シール
５００  素子
５０５  基板
５１０  ｃＭＵＴアレイ
５１５  ｃＭＵＴアレイ
６００  素子
６０５  基板
６１０  ｃＭＵＴアレイ
６１５  ｃＭＵＴアレイ
７００  平均速度
７０５  スペクトラム
７１０  ヌル
７１５  ヌル
８０５Ａ  ピーク
８０５Ｂ  ピーク
８０５Ｃ  ピーク
８０５Ｄ  ピーク
８０５Ｅ  ピーク
１０１５  ピーク変位位置（peak displacement locations）
１０２０  ピーク変位位置（peak displacement locations）
【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８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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