(57)【要約】【課題】超微細加工超音波トランスデューサ装置の基材背面から出る不要な音波を減衰させ、且つ基材を壊れ難くする付加的な支持を提供する。【解決手段】基材（４）上で超微細加工される超音波トランスデューサ・アレイ（２）と、該アレイに接続されている可撓性電気的接続（１６、１８）と、基材及び可撓性電気的接続を支持する音響減衰性材料の本体（１４）とを備えた超微細加工超音波トランスデューサ装置である。音響バッキング材は、製造時にトランスデューサを固定具に配置するとき又は最終組立時に筐体内にトランスデューサを配置するときに用いられるタブ又はノッチ等の付加的な特徴を含んでいてよい。バッキング材は好ましくは、いかなる音波エネルギも界面で反射して後方すなわち装置前面から離隔する方向に伝播することのないように、音響インピーダンスがシリコン・ウェーハと整合するものとする。【選択図】        図２
2004188203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材上で超微細加工される超音波トランスデューサ・アレイ（２）と、
該超音波トランスデューサ・アレイに接続されている可撓性電気的接続（１６、１８）と、
前記基材及び前記可撓性電気的接続を支持する音響減衰性材料の本体（１４）とを備えた超微細加工超音波トランスデューサ装置。
【請求項２】
前記超音波トランスデューサ・アレイは多数のｃＭＵＴ（容量型超微細加工超音波トランスデューサ）セルを含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記超音波トランスデューサ・アレイは多数のｐＭＵＴ（圧電型超微細加工超音波トランスデューサ）セルを含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記基材は、第一の音響インピーダンスを有する材料で製造されており、前記音響減衰性材料は、前記第一の音響インピーダンスに実質的に整合している第二の音響インピーダンスを有している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記基材と前記音響減衰性材料の本体との間に配設されている音響インピーダンス・マッチング材の層をさらに含んでおり、該音響インピーダンス・マッチング材の音響インピーダンスは、前記基材の材料の音響インピーダンスと前記音響減衰性材料の音響インピーダンスとの間の値を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記音響減衰性材料の本体は、前記基材の両側のエッジを超えて延在している一対のタブを有しており、該タブは前記可撓性電気的接続を支持していない、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記可撓性電気的接続は、誘電体で製造されている可撓性基材上にプリントされている導電性トレースを含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記音響減衰性材料の本体は、前記超音波トランスデューサ・アレイの全周に沿って前記超音波トランスデューサ・アレイに隣接して設けられており、前記可撓性電気的接続は、前記音響減衰性材料の本体のそれぞれの部分の前面及び前記超音波トランスデューサ・アレイの前面に隣接して設けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記音響減衰性材料は、ポリ塩化ビニルの母材に分散されているタングステン粒子を含んでいる、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
第一の面積を有する基材を、前記第一の面積よりも大きい第二の面積を有する音響バッキング材の層に取り付ける工程であって、前記基材は、前記音響バッキング材の層のそれぞれの部分が前記基材の両側のエッジを超えて延在するように配置されている、取り付ける工程と、
前記音響バッキング材の層に取り付けた状態で前記基材を薄く加工する工程と、
前記基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、
前記超微細加工する工程に続いて、前記音響バッキング材の層の前記それぞれの部分を切除する工程とを備えた超音波トランスデューサの製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、超微細加工（micromachined）超音波トランスデューサに関する。具体的には、本発明は、容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）に関する。ｃＭＵＴの特定的な一応用は、医療診断超音波イメージング・システムにある。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波撮像用トランスデューサは、偏極処理（ポーリング）を施した圧電性セラミックス材料を用いて、電気エネルギを音波エネルギへ変換する圧電効果によって音波エネルギを発生する。走査されている患者の方向である前方方向に伝達される音波エネルギは、１以上の音響マッチング層を介して患者に結合される。しかしながら、走査されている患者から離隔する方向に伝達される音波エネルギは典型的には、トランスデューサ・アレイの背面に配置されている音響バッキング材内に吸収され且つ／又は散乱される。これにより、音波エネルギがトランスデューサの背後の構造又は界面から反射して圧電材料に戻ることにより患者の体内の反射から得られる音波画像の品質が低下するのを防いでいる。音響バッキング材用の多数の組成が公知である。例えば、音響バッキング材は、ゴム、エポキシ又はプラスチックのような減衰性軟質材料に金属粒子（例えばタングステン）を分散させた複合材から成っていてよい。他の音響バッキング材組成を用いてもよい。
【０００３】
医療診断撮像に用いられる超音波トランスデューサは、広い帯域幅、及び低レベルの超音波信号に対する高感度を有しており、これらの特性から高品質画像の形成が可能になっている。これらの規準を満たして超音波トランスデューサを製造するのに従来用いられている圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックス及びポリフッ化ビニリデンがある。しかしながら、ＰＺＴトランスデューサは、半導体部品のような超音波システムの他部品を製造するのに用いられている加工技術とは異なるセラミックス製造プロセスを必要とする。従って、半導体部品を製造するのに用いられるものと同じプロセスを用いて超音波トランスデューサを製造できると望ましい。
【０００４】
近年、半導体プロセスを用いて、容量型（ｃＭＵＴ）又は圧電型（ｐＭＵＴ）等の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）として知られているの形式の超音波トランスデューサを製造することが行なわれている。ｃＭＵＴは微小なダイヤフラム様の装置であり、超音波受波信号の音響振動を変調型キャパシタンスへ変換する電極を備えている。送波については、容量電荷を変調して装置のダイヤフラムを振動させることにより、音波を送波する。
【０００５】
ＭＵＴの一つの利点は、「超微細加工（マイクロマシニング）」との頭語で括られる超微細製造プロセスのような半導体製造プロセスを用いて製造できることである。米国特許第６，３５９，３６７号（特許文献１）の説明によれば、次の通りである。
【０００６】
「超微細加工は、次の各項の組み合わせ又は部分集合を用いた微視的構造の形成である。すなわち（Ａ）パターニング・ツール（一般的には投影露光装置又はウェーハ・ステッパ等のリソグラフィ）、（Ｂ）ＰＶＤ（物理的気相堆積）、ＣＶＤ（化学的気相堆積）、ＬＰＣＶＤ（低圧化学的気相堆積）及びＰＥＣＶＤ（プラズマ化学的気相堆積）のような堆積ツール、並びに（Ｃ）湿式化学エッチング、プラズマ・エッチング、イオン・ミリング、スパッタ・エッチング又はレーザ・エッチング等のエッチング・ツール等である。超微細加工は典型的には、シリコン、ガラス、サファイア又はセラミックス製の基材又はウェーハ上で行なわれる。かかる基材又はウェーハは一般的には、極めて平坦且つ滑らかであり、インチ単位の横寸法を有している。これらの基材又はウェーハは通常、カセット内のグループとして、加工ツールから加工ツールへ移動しながら加工される。各々の基材は、製品の多数の複製を組み入れることができ、有利である（但し必須ではない）。超微細加工には大きく分けて二つの形式がある。すなわち、（１）バルク超微細加工。この場合にはウェーハ又は基材はその厚みの大部分を蝕刻される、及び（２）表面超微細加工。この場合には蝕刻は一般的には、表面、具体的には表面上の薄膜堆積フィルムに限られる。本書で用いられる超微細加工の定義は、超微細加工が可能な従来の又は公知の材料の利用を含んでおり、かかる材料としては、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマー（ポリイミド等）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、アルミニウム合金、銅合金及びタングステンのような薄膜金属、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤又は拡散ドープ剤、並びに酸化シリコン及び窒化シリコンのような成長フィルム等がある。」
本書でも同じ超微細加工の定義を採用する。
【特許文献１】米国特許第６，３５９，３６７号
【特許文献２】米国特許出願公報第ＵＳ２００２／００４８２１９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
容量型超微細加工超音波トランスデューサ装置を用いて発生される音波エネルギは、超音波エネルギを発生するのに圧電材料に頼っていない。寧ろ、ｃＭＵＴの基本構造は、導電性電極の上方に狭い間隙を空けて懸吊されている導電性の膜又はダイヤフラムによるものである。膜と電極との間に電圧を印加すると、クーロン力によって膜が電極に引き付けられる。印加した電圧が経時的に変化すれば膜位置も変化するので、膜が位置を移動するにつれて装置の表面から放射する音波エネルギが発生する。音波エネルギは主として前方方向すなわち患者の方向に発生されるが、音波エネルギの一部はｃＭＵＴ支持構造内に伝播する。この構造は一般的にはシリコン・ウェーハである。従って、このエネルギがウェーハの背面においてシリコンと空気との界面から反射してｃＭＵＴ装置に戻るのを防ぐ音響バッキング材が必要になる。このことはｐＭＵＴ装置にも同じく当てはまる。
【０００８】
米国特許出願公報第ＵＳ２００２／００４８２１９号（特許文献２）は、抑制基材モードを備えた微細製造された音響トランスデューサを開示している。この公報は、トランスデューサ基材の背面側に音響減衰性材料を貼付することを開示している。
【０００９】
ＭＵＴ装置は、単に音響性能ばかりでなくさらに他の面でもバッキング材からの利点を得ている。シリコン・ウェーハ上に製造されたＭＵＴ装置は脆く、製造プロセス時に損傷しないように細かな配慮を必要とする。例えば、ＭＵＴ装置に対する電気的接続は、可撓性回路の積層によって製造することができる。この工程では、シリコン・ウェーハに圧力を加えて電気的接続を接着する。圧力が均等に加わらないと装置の破砕が生じ得る。ＭＵＴを構築するための薄く加工した基材は極めて脆いので、支持構造からの利点を得ることができる。
【００１０】
このように、ＭＵＴ（ｃＭＵＴ及びｐＭＵＴ）装置の基材面の背面から出る不要な音波を減衰させる能力を強化しながらＭＵＴ装置に付加的な支持を提供する構造及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、音響バッキング材の本体を有するＭＵＴ装置、及びかかる装置を製造する方法に関する。音響バッキング層又は支持膜が、極く薄い基材を損傷することなく加工する手段としての役割を果たす様々な実施形態を開示する。他の実施形態は、特にシリコン基材上のＭＵＴアレイと共に用いられるように設計されている音響バッキング材を提供する。これらの特徴は、同じ一つの実施形態として組み合わせることもできる。
【００１２】
本発明の一観点は、基材上で超微細加工される超音波トランスデューサ・アレイと、超音波トランスデューサ・アレイに接続されている可撓性電気的接続と、基材及び可撓性電気的接続を支持する音響減衰性材料の本体とを備えた超微細加工超音波トランスデューサ装置である。
【００１３】
本発明のもう一つの観点は、シリコン基材と、シリコン基材によって支持されている超音波トランスデューサ・セルのアレイと、基材のアレイに対向する側に配設されている音響減衰性材料の本体とを備えた超音波トランスデューサであって、音響減衰性材料は母材材料内に分散されたタングステン粒子を含んでいる。タングステンの質量％は９６．０％〜９６．６５％にあり、残部が母材材料である。タングステン粒子の第一の部分は粒径が１ミクロン程度であり、タングステン粒子の第二の部分は粒径が１０ミクロン程度である。タングステン以外の充填材も可能であり、また他の粒径も可能である。
【００１４】
本発明のさらにもう一つの観点は、シリコン基材と、シリコン基材によって支持されている超音波トランスデューサ・セルのアレイと、基材のアレイに対向する側に配設されている音響減衰性材料の本体と、基材と音響減衰性材料の本体との間に配設されている音響インピーダンス・マッチング材の層とを備えた超音波トランスデューサである。音響インピーダンス・マッチング材の音響インピーダンスは、シリコンの音響インピーダンスと音響減衰性材料の音響インピーダンスとの間の値を有すると好ましい。
【００１５】
本発明のさらにもう一つの観点は、シリコン基材と、シリコン基材によって支持されている超音波トランスデューサ・セルのアレイと、基材のアレイに対向する側に配設されている音響減衰性材料の本体とを備えた超音波トランスデューサであって、音響減衰性材料は、母材材料内に分散されたタングステン粒子及び高い熱伝導性を有する充填材の粒子を含んでいる。
【００１６】
本発明のもう一つの観点は、基材を音響バッキング材の層に取り付ける工程と、基材を音響バッキング材の層に取り付けた状態で基材を薄く加工する工程と、基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程とを備えた超音波トランスデューサの製法である。
【００１７】
本発明のさらにもう一つの観点は、基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、アレイの前面を支持膜に取り付ける工程と、支持膜によって支持されている状態で基材を薄く加工する工程と、薄く加工した基材にバッキング材の成形層又は共形層を取り付ける工程と、支持膜を除去する工程とを備えた超音波トランスデューサの製法である。
【００１８】
本発明のもう一つの観点は、全体的に矩形の基材上で超微細加工される超音波トランスデューサ・アレイと、超音波トランスデューサ・アレイに接続されている可撓性電気的接続と、基材を支持しており基材の両側の側面を超えて延在している音響減衰性材料の本体とを備えた超微細加工超音波トランスデューサ装置である。
【００１９】
本発明のさらにもう一つの観点は、第一の面積を有する基材を、第一の面積よりも大きい第二の面積を有する音響バッキング材の層に取り付ける工程であって、基材は音響バッキング材の層のそれぞれの部分が基材の両側のエッジを超えて延在するように配置されている、取り付ける工程と、基材を音響バッキング材の層に取り付けた状態で基材を薄く加工する工程と、基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、超微細加工する工程に続いて、音響バッキング材の層の上述のそれぞれの部分を切除する工程とを備えた超音波トランスデューサの製法である。
【００２０】
本発明の他の観点については、以下で開示し、特許請求の範囲として請求する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
説明の目的のために、容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）のクラスに属する本発明の様々な実施形態について説明する。但し、本書に開示する本発明の諸観点は、ｃＭＵＴの構造又は製造に限定されている訳ではなく、ｐＭＵＴの構造又は製造にも適用できることを理解されたい。
【００２２】
図１には、典型的なｃＭＵＴトランスデューサ・セル２の断面図が示されている。かかるｃＭＵＴトランスデューサ・セルのアレイは典型的には、シリコン・ウェーハのような基材４上に製造される。各々のｃＭＵＴトランスデューサ・セル毎に、基材４の上方に、窒化シリコン製であってよい薄膜又はダイヤフラム８が懸吊されている。膜８は、酸化シリコン又は窒化シリコン製であってよい絶縁性支持体６によって周縁で支持されている。膜８と基材４との間の空洞部２０は、空気若しくはガスを充填されていてもよいし、又は完全排気若しくは部分排気されていてもよい。アルミニウム合金又はその他適当な導電性材料のような導電性材料のフィルム又は層が膜８上で電極１２を形成しており、また導電性材料製のもう一つのフィルム又は層が基材４上で電極１０を形成している。代替的には、電極１０は基材４に埋め込まれていてもよい。また、電極１２は図１に示すように膜８の内部に埋め込まれているのではなく、膜８の上層に位置していてもよい。
【００２３】
二つの電極１０及び１２は、空洞部２０によって離隔されて、キャパシタンスを形成する。入射した音響信号が膜８を振動させると、付設の電子的構成要素（図１には示されていない）を用いてキャパシタンスの変化を検出することができ、これにより音響信号を電気信号へ変換する。逆に、一方の電極に印加されたＡＣ信号が電極上の電荷を変調させると、電極同士の間の容量力に変調が生じ、後者の変調によってダイヤフラムが移動することにより音響信号を送波する。
【００２４】
典型的なｃＭＵＴの寸法はミクロン単位であるので、典型的には多数のｃＭＵＴセルが近接して製造されて、単一のトランスデューサ要素を形成する。個々のセルは、円形、矩形、六角形又は他の周囲形状を有していてよい。六角形にするとトランスデューサ要素のｃＭＵＴセルを稠密に充填させることができる。各ｃＭＵＴセルは、トランスデューサ要素が異なるセル寸法による複合的な特性を有することによりトランスデューサに広帯域特性を与えるように、異なる寸法を有していてよい。
【００２５】
本書に開示する実施形態では、ｃＭＵＴ装置は、基材、及び本書で「音響バッキング」と呼ぶ音響減衰性材料の層の上に構築されるｃＭＵＴセルのアレイを含んでいる。音響バッキング層は、極く薄い基材のために構造的支持を提供するのに十分な剛性を有する。かかる音響バッキング層は、例えば実質的に音響的に透明なエポキシの薄層を用いて基材の裏面に直接接合してもよいし、又は複数の層を介在させた状態で基材に積層されてもよい。代替的には、音響バッキングは、十分な音響インピーダンスを有する鋳造用又は成形用組成物であってよい。一実施形態では、介在層は、シリコン基材の音響インピーダンスと音響減衰性材料の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスを有する音響インピーダンス・マッチング材で製造される。もう一つの実施形態では、介在層は、基材内の導電性バイア（via）に接続する導電性パッドを有している可撓性のプリント回路基板（「フレックス回路」）である。
【００２６】
超音波トランスデューサ装置は、基材上で超微細加工される超音波トランスデューサ・アレイと、トランスデューサ・アレイに接続されている可撓性電気的接続と、基材及び可撓性電気的接続を支持する音響減衰性材料の本体とを備えている。本発明の一実施形態によれば、音響バッキング材は、基材の面積よりも大きい面積を有しており、基材の周縁部を超えて延在している。音響バッキング材は、電気的接続の取り付け時及び取り付け後の両方でＭＵＴ装置に付加的な支持を提供し、これにより装置の製造容易性が向上する。音響バッキング材は、製造時にトランスデューサを固定具に配置するとき又は最終組立時に筐体内にトランスデューサを配置するときに用いられる付加的な特徴、例えばタブ又はノッチを含んでいてよい。製造時にのみ用いられるタブ又は他の特徴は、後に装置から除去してよい。所望に応じて可撓性を与えるようにＭＵＴ装置自体を薄く加工してもよい。バッキング材は好ましくは、いかなる音波エネルギも界面で反射して後方すなわち装置前面から離隔する方向に伝播することのないように、音響インピーダンスがシリコン・ウェーハと整合するものとする。また、バッキング材は装置からの熱の除去を補助するように高い熱伝導性を有していてよい。
【００２７】
図２及び図３は、可撓性電気的接続（例えばフレックス回路）６及び１８を介して適当な電子的構成要素（図示されていない）に接続されているｃＭＵＴ装置２のそれぞれ側面図及び上面図を示す。図示の実施形態では、ｃＭＵＴ装置２は、音響バッキング材の本体１４に成形されている凹部に載置されている（図２を参照）。ｃＭＵＴ装置の最上部は全体的に、音響バッキングのうちｃＭＵＴ装置の占有面積を超えて延在している部分の最上部と同じ高さにあり、可撓性電気的接続１６及び１８の末梢側エッジがｃＭＵＴ装置のそれぞれのエッジに重なっており、且つ可撓性電気的接続１６及び１８の隣接部分は、音響バッキング層のそれぞれの部分に重なっており接合されている。図２に示すように、音響バッキング層１４はｃＭＵＴ装置を支持すると共に可撓性電気的接続を支持している。音響バッキングはシリコン基材に直接積層されていてもよいし、又は前述のように、音響インピーダンス・マッチング介在層を積層体に含めてもよい。
【００２８】
図２に示す実施形態では、各々のトランスデューサ・セルの電極（図１の電極１０及び１２）は、ｃＭＵＴ装置の上面のうち可撓性電気的接続１６及び１８が重なっている部分の上に（例えばプリントすることにより）形成されている導電性パッドに電気的に接続されている。集積半導体構造の様々な層の導体を電気的に接続する手法は周知であるので本書では立ち入らない。フレックス回路１６及び１８とｃＭＵＴ装置２上の導電性パッド（図示されていない）との間の電気的接続は様々な方法で形成することができる。好ましい態様は、フレックス回路とｃＭＵＴ装置との間に積層されている異方導電性フィルムを用いるものである。代替的には、結線、はんだバンプ、ｃＭＵＴ装置の表面の凹凸を介した電気的接触を可能にするのに十分なだけ薄いエポキシ接着層、異方導電性フィルム、又はｃＭＵＴ装置に電気的接点を形成するその他一般的な方法を用いて電気的接続を形成してよい。
【００２９】
図２に示す構成要素の組み合わせは、特に基材が極めて薄く加工されている場合に、音響バッキング材１４が存在しなければ後に行なわれる取扱の際に損傷を受けかねない脆い接合体を形成する。図２に示すように、音響バッキング材１４は、互いに反対の第一の方向及び第二の方向において、ｃＭＵＴ装置２の作用面積を超えて延在しており、電気的接続用のフレックス・サーキットリ１６及び１８並びに付設の電子的構成要素のための支持を提供する。この例では、ｃＭＵＴ装置の作用面積は全体的に矩形である。図３で最も分かり易く示されているように、音響バッキングはまた、第一の方向及び第二の方向に直交しており互いに反対の第三の方向及び第四の方向においても、ｃＭＵＴ装置２の作用面積を横方向に超えて延在しており、これにより、アセンブリの両側に一時的な操作用タブを形成している。
【００３０】
上述の例では、電気的接続１６及び１８の取り付けの前にバッキング材１４をｃＭＵＴ装置２に貼付する。各タブ（図３に示す音響バッキング材１４）は、装置の最終寸法を超えて延在しており、製造を改善するための付加的な操作用支持を提供している。これらのタブは後に、装置を最終寸法に切断する際に除去することができる。図４は、アレイの側面２２及び２４においてバッキング材を最終寸法になるように切除した後の最終的な装置の上面図を示している。電子的構成要素は、アレイ面に垂直なアレイの側面２２及び２４に沿って配置され得る。
【００３１】
本発明の一実施形態によれば、音響バッキング材は、ｃＭＵＴ基材に音響的に整合した組成を有しており、音波エネルギが反射して装置に戻らないようにしている。基材４がシリコン製である場合には、適当なバッキング材の一例は、タングステンを９６．３％（質量で）（うち８５％を粒径１０ミクロンとし、１５％を１ミクロンとした）及びポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）粉末を３．６７％の混合物を含んでなる。粉末を２時間にわたって回転ミキサで混合した。粉末の一部を熱間加圧成形に適したダイに注入し、仕上げた材料への付着を防止するためにプランジャをＫａｐｔｏｎ（登録商標）ポリイミド・テープで被覆した。ダイの温度を２００℃まで上昇させた後に、粉末に加える圧力を１９，０００ｐｓｉまで高めた。次いで、圧力を保ったままダイを室温まで冷却した。
【００３２】
一旦、バッキング材をダイから取り外して、様々な厚みに薄く切って音響特性を測定した。この複合材の音響インピーダンスは１９．４Ｍｒａｙｌであった。この値は、ｃＭＵＴシリコン基材の音響インピーダンスである１９．８Ｍｒａｙｌと非常によく整合している。このバッキング材はまた、５ＭＨｚでの音響減衰が−４．９ｄＢ／ｍｍである。清浄化して両方の面に定着剤を塗工した後に低粘度エポキシ（マサチューセッツ州BillericaのEpoxy Technology社から市販されているＥｐｏ−Ｔｅｋ３０１）を用いて、このバッキングをｃＭＵＴ装置の裏面に接着した。この界面からの音波反射を回避するためには細い接着線（関心のある周波数におけるエポキシの波長の２０分の１未満）が必要とされる。この態様での音響バッキング材のｃＭＵＴ装置への接着は、ｃＭＵＴのシリコン基材と空気との界面からの音波反射を防ぐばかりでなく、接着しない場合には脆い装置に対して支持を提供する。
【００３３】
バッキングの実効性は、バッキング材の音響インピーダンス及び吸収に大きく依存している。インピーダンスが極く近接して整合することにより、トランスデューサからバッキングへのエネルギ伝達が大幅に改善すると同時に、吸収が大きいことにより、バッキング内の音波は事後の何らかの時刻、従って望ましくない時刻にトランスデューサに戻らないことが確実になる。図５は、トランスデューサとバッキングとの間のインピーダンス比の関数としての音波反射係数を示すグラフである。
【００３４】
もう一組のバッキング材のセットを、１．７５インチ径の丸形ダイで製造した（上では１．１６２インチ径のダイを用いた）。同じ組成及び温度を用いたが、圧力は１０，０００ｐｓｉまで上昇させるに留めた。この方法からの結果は僅かながら異なっていた。すなわち音響インピーダンスはＺ＝２０．６±０．３ＭＲａｙｌであり、５ＭＨｚでの減衰はＡ＝−５．９６±０．０３ｄＢであった（密度ρ＝１２．１７±０．０８ｇ／ｃｍ3、及び縦方向速度Ｖ＝１．７０±０．０１ｍ／秒）。図６及び図７は、アレイに音響バッキングを積層する前のレンズ付きｃＭＵＴアレイについてインパルス応答及び周波数スペクトルをそれぞれ示す。図６及び図７の円は、パルスのリンギング及び周波数スペクトルの切れ目をそれぞれ示す。図８及び図９は、アレイに音響バッキングを積層した後のｃＭＵＴアレイについてインパルス応答及び周波数スペクトルをそれぞれ示す。図８及び図９の円は、リンギング及び周波数スペクトルの切れ目が存在しないことをそれぞれ示す。
【００３５】
当業者は、音響バッキング材の組成が上で掲げた実例から変化していてもよいことを理解されよう。但し、得られるバッキング材の音響インピーダンスはシリコンの音響インピーダンスに整合しているべきであり、すなわち近似的に１９．８ＭＲａｙｌ±５％でなければならない。この値に影響を及ぼす要因はタングステン対ＰＶＣの比ばかりでなく、１ミクロンのタングステン対１０ミクロンのタングステンのそれぞれの量、材料を成形するときの圧力、並びに材料に加圧するときの温度及び時間の長さも影響を及ぼす。ｃＭＵＴにバッキングを設ける場合に適した近似的な組成範囲は、タングステン９６．０％＋ＰＶＣ４．０％乃至タングステン９６．６５％対ＰＶＣ３．３５％である（密度が３％動くと音響インピーダンスが約５％変化し、このとき速度が２％だけ変化すると想定している）。
【００３６】
本発明のさらにもう一つの実施形態では、ｃＭＵＴ基材に音響的に整合しているバッキング材が高い熱伝導性を有するように設計することもできる。このことは、バッキング材の母材内に分散させた高い熱伝導性を有する１以上の充填材の粒子を含むようにバッキング材の組成を変更することにより達成することができる。高い熱伝導性を有する充填材の例としては、限定しないがＷ、ＢＮ、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、及びダイヤモンドがある。バッキング材の母材は、ＰＶＣ、エポキシ、又は充填材を支持するその他適当な母材材料であってよい。音響インピーダンス及び音響減衰に所要の特性を保つためにバッキング材の残部組成を変更してもよい。この形式のバッキング材は、ｃＭＵＴによって発生される熱、及び他の何らかの箇所に設けられている熱放散用装置から隔設されている付設の電子的構成要素によって発生される熱を除去することについて性能改善を提供する。装置からの発熱の除去は、装置性能を保つ上で重要であり、また医療超音波撮像装置の前面についてＦＤＡから下されている熱制限のためにも重要である。
【００３７】
本発明のもう一つの利点は、極く薄いｃＭＵＴ装置用の製造時支持についてである。幾つかの応用では、形状に合わせて彎曲させることのできる可撓性のｃＭＵＴ装置から利点を得る。本発明の技術を用いたかかる装置の製造は、シリコン・ウェーハを当技術分野で一般的なものよりも薄く製造することを必要とする。この場合には、後の取扱時、及び可能性としてはｃＭＵＴ装置自体の製造時の両方で適当なバッキング材が有用である。例えば、シリコン・ウェーハは、音響バッキング材に取り付けられた後に適当な最終寸法に薄く加工される。ウェーハは、エッチング又は機械的研磨のような様々な方法のいずれを用いても薄く加工することができる。音響バッキング材は、音響性能に加えて、最終的な装置とバッキング材とのパッケージの彎曲を見込んだ十分な可撓性を有する。この例では、ｃＭＵＴ装置の構築の前にバッキング材をシリコン・ウェーハに貼付し、この場合にはバッキング材は全装置パッケージの一部と考えることができる。
【００３８】
逆に、同様の最終的な装置を次のようにして構築してもよい。ｃＭＵＴ装置の前面を支持膜に結合した後に、装置に可撓性を付与するのに十分な程度までシリコンの裏面を薄く加工することができる。次いで、成形した或いは共形の音響バッキング材を、薄く加工したｃＭＵＴ装置に取り付けて、前方の支持膜を除去して最終的な装置を得る。
【００３９】
図２に示す実施形態は、ｃＭＵＴアレイの最上部に可撓性の相互接続回路を配置することを含んでいる。アレイを相互接続するもう一つの可能な手段は、バッキング材に埋め込まれている結線又はトレースを介してバッキングに接続を貫通させるものである。次いで、これらの接続を、ウェーハ貫通バイア又はラップアラウンド型接続によってｃＭＵＴ装置の表面に取り出すことができる。さらにもう一つの変化形態では、シリコン基材の下方にフレックス回路を配設した後に、ウェーハを貫通するバイア又はラップアラウンド型接続を用いてｃＭＵＴ装置の最上部に信号を取り出すこともできる。
【００４０】
好適実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施しまた各実施形態の要素を均等構成で置換し得ることが理解されよう。加えて、発明の本質的な範囲から逸脱せずに本発明の教示に合わせて具体的な状況を適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示した特定的な実施形態に限定されているのではなく、特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を包含するものとする。
【００４１】
特許請求の範囲で用いられている「超音波トランスデューサ」という用語は、容量型超音波トランスデューサ及び圧電型超音波トランスデューサを包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】典型的なｃＭＵＴセルの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従って一時的操作用タブを有する音響バッキング材の層によって支持されているｃＭＵＴ装置及び付設の電気的接続の側面図である。
【図３】図２の上面図である。
【図４】図１に示すｃＭＵＴ装置の上面図であるが、操作用タブを除去した後の図である。
【図５】音波反射係数をトランスデューサとバッキングとの間の音響インピーダンス比の関数として示すグラフである。
【図６】音響バッキングの付加の前のｃＭＵＴアレイについてインパルス応答を示すグラフである。
【図７】音響バッキングの付加の前のｃＭＵＴアレイについて周波数スペクトルを示すグラフである
【図８】音響バッキングの付加の後の同じレンズ付きｃＭＵＴアレイについてインパルス応答を示すグラフである。
【図９】音響バッキングの付加の後の同じレンズ付きｃＭＵＴアレイについて周波数スペクトルを示すグラフである
【符号の説明】
【００４３】
２  ｃＭＵＴトランスデューサ・セル
４  基材
６  絶縁支持体
８  ダイヤフラム
１０、１２  電極
１４  音響バッキング材の本体
１６、１８  可撓性電気的接続
２０  空洞部
２２、２４  最終寸法のアレイの両側面
【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９】
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