(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
医用超音波システムの複数素子容量性マイクロ機械超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を作動させる方法において、
(a)  複数素子静電トランスデューサアレーに直流電流（ＤＣ）バイアス電圧を与え、
(b)  前記複数素子静電トランスデューサアレーを使用して、送信動作中に対象に音響エネルギーを送信し、受信動作中に前記対象からの応答を受信し、
(c)  送信と受信動作の関数として前記ＤＣバイアス電圧を変化させ、前記複数素子静電トランスデューサアレーが、前記送信動作中に第１中心周波数を有し、前記受信動作中に第２中心周波数を有するようにし、
(d)  前記受信動作中に受信した応答に基づいて像を形成するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記(a)ステップは、前記ＤＣバイアスを各々の複数素子に与える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記(c)ステップは、送信のため第１ＤＣバイアス電圧を与え、受信のため前記第１ＤＣバイアス電圧と異なる第２ＤＣバイアス電圧を与える請求項１に記載の方法。
【請求項４】
更に少なくとも１つのマイクロリレーで前記ＤＣバイアス電圧を切り替える(e)ステップを備える請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記(c)ステップは、送信のため第１周波数で第１ＤＣバイアス電圧を与え、受信のため前記第１周波数の高調波である第２周波数で第２ＤＣバイアス電圧を与える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
更に相互に連動式に接続した少なくとも２つのマイクロリレーで前記ＤＣバイアス電圧を切り替える(e)ステップを備える請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記(c)ステップは、前記複数素子静電トランスデューサアレーの各々の複数素子に独立して、前記ＤＣバイアス電圧を変化させる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
各々の前記複数素子の関数として、アパーチャのアポディゼーションを行う(e)ステップを備える請求項１に記載の方法。
【請求項９】
超音波トランスデューサにおいて、
送信動作中に対象に音響エネルギーを送信し、受信動作中に前記対象からの応答を受信する少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と、
前記マイクロ機械超音波素子に少なくとも２つの異なるバイアス電圧を与えることができるバイアス源と、を備え、前記少なくとも２つの異なるバイアス電圧の一方は送信中に与えられ、前記複数素子の静電トランスデューサアレーが第１中心周波数を有するようにし、前記少なくとも２つの異なるバイアス電圧の他方は受信中に与えられ、前記複数素子の静電トランスデューサアレーが第２中心周波数を有するようにし、
更に、前記バイアス源と前記マイクロ機械超音波素子との間の接続されたマイクロ機械リレーと、
前記少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と結合し、応答を医用像形成システムに送信し、像を形成することができるインターフェースと、を備えることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１０】
超音波トランスデューサにおいて、
送信動作中に対象に音響エネルギーを送信し、受信動作中に対象からの応答を受信する少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と、
前記マイクロ機械超音波素子に少なくとも２つの異なるバイアス電圧を与えることができるバイアス源と、を備え、前記バイアス源は、前記マイクロ機械超音波素子による前記対象への音響エネルギーの送信中に第１電圧を与え、前記マイクロ機械超音波素子による前記対象からの音響エネルギーの受信中に前記第１電圧と異なる第２電圧を与え、
更に、前記少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と結合し、応答を医用像形成システムに送信し、像を形成することができるインターフェースと、を備えることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１１】
超音波トランスデューサにおいて、
送信動作中に対象に音響エネルギーを送信し、受信動作中に対象からの応答を受信する少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と、
前記マイクロ機械超音波素子に少なくとも２つの異なるバイアス電圧を与えることができるバイアス源と、を備え、
前記少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子は、前記送信動作中に第１中心周波数で作動し前記受信動作中に第２中心周波数で作動する容量性マイクロ機械超音波トランスデューサアレーを備え、前記第１、第２中心周波数は、前記バイアス源に応答し、
更に、前記少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と結合し、応答を医用像形成システムに送信し、像を形成することができるインターフェース、を備えることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１２】
超音波トランスデューサにおいて、
少なくとも１つのマイクロ機械超音波素子と、
前記マイクロ機械超音波素子に少なくとも２つの異なるバイアス電圧を与えることができるバイアス源と、を備え、
前記バイアス源は、音響エネルギーの送信中に第１周波数で第１バイアス電圧を与え、音響エネルギーの受信中に第２周波数で前記第１バイアス電圧と異なる第２バイアス電圧を与え、前記第２周波数は、前記第１周波数の高調波であることを特徴とするトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
医用超音波像形成及び治療システムは、ハードウェアもソフトウェアも急速に複雑になってきている。その結果、診断能力が増し、このようなシステムはエンドユーザーに非常に魅力的であるが、システムの製造者は、複雑になっても、コスト、大きさ、重量、又は電力要求が過度に大きくならないようにしなければならない。これらの物理的特性を最小にして、能力と価値を増さなければならないので、製造者は、最新の集積回路論理とメモリーデバイス、及び最新のデータ記憶デバイスと小型で効率的な電源が必要である。さらに、これらと同じ要求により、最新の別個のスイッチとリレー等の別個の電気機械デバイスが必要である。ある超音波システムは、特に512チャンネルを有する新しいシステムの場合は、文字どおり何百ものこのような構成部品を備える。残念なことに、後者の別個の電気機械の構成部品は、集積度、大きさ、コスト、効率、信頼性が、上述した前者の構成部品ほど改善されていない。
【０００２】
更に、今日の別個の電子機械デバイスが超音波装置の設計で不満足になってきているのには、多くの性能上の理由がある。これらの理由には、高いオンインピーダンス、低いオフインピーダンス、浮遊キャパシタンス、高い挿入損失、高い電力消費、低い電力スイッチング容量等がある。
【０００３】
電気的スイッチングは、電界効果トランジスターとサイリスタ等の電子デバイスを使用して達成できるが、ある用途では、電気機械的接触器が好ましい。電子スイッチの１つの欠点は、漏れ電流があり、そのため「オフ」位置で有限の電流が流れることである。他方において、電気機械的スイッチは、開位置は見ることができ、「オフ」位置で電流は流れない。機械的リレーの分離は、コンタクトの間隙により決まり、この距離は色々の用途の分離する必要性に合うように調節できる。
【０００４】
また、高電流システムの近くでは、電子デバイスは、容量結合と静電放電にかなり感度を有する。電気機械的リレーは、良い電磁気的適合性を示し、一般にこのような効果には反応しない。
【０００５】
さらに、今日の別個の電気機械デバイスは、また物理的に不十分である。超音波トランスデューサは、ますます多重の能力が必要であり、トランスデューサ内にトランスデューサケーブルのワイヤーより多くの圧電素子があるかもしれない。このような多重化（多数の圧電素子からの電気信号を少数の接続ワイヤーの間で切換える）に伴う今日の困難さは、今日の別個の電気機械的デバイスは、１つのＩＣチップ上に多数を集積できないことである。それゆえ、特にトランスデューサ又はトランスデューサコネクター自体に必要性があるときは、それらは多くに空間、コスト、電力を消費し、重量が重く、多数の部品になる。
【０００６】
最後に、電子スイッチの他の欠点は、安全性の分野である。保護リレーは、どのような状況でも、欠陥のある回路を遮断し分離する必要がある。電子的構成部品は、この要求を満たすことができない。電気的な絶縁破壊又は熱的過負荷の場合は、両方向に電流が流れ、中断することができないからである。従って、安全性のためには、半導体スイッチの代りに機械的リレーを使用しなければならない。
【０００７】
従って、医用像形成又は治療用の超音波システムで、別個の電気機械的デバイスの利点を持ち、大きさが小さく、コストが安く、信号強度が改善され、消費電力が少なく、電圧パルス容量が高いマイクロ機械的デバイスを組込んだシステムの必要性がある。
【０００８】
（発明の概要）
後述する好適な実施例は、大きさが小さく、コストが安く、信号強度が改善され、消費電力が少なく、電圧パルスの能力が高い超音波システムに関する。より詳しくは、本発明の好適な実施例は、現存する超音波の設計で「巨視的な」電気機械デバイスに代えてマイクロ機械デバイスを組込んだ改善された超音波システムに関する。本発明の好適な実施例はまた、マイクロ機械デバイスを組込んで、現存する電気機械デバイスでは不十分であった新しい機能を与えることに関する。超音波システムのバンド幅の要求は増加し、大きさとコストを下げる要求があるので、マイクロ機械構成部品の大きさとコストと電力の問題を解決し、電力処理が優れ、その結果システムの優れた性能を得られる可能性がある。
【０００９】
後述する実施例では、マイクロ機械デバイスの新しい技術を適用し、電気機械デバイスの改善の遅れを解決する。これらの好適な実施例により、リレーとスイッチのＩＣサイズのマイクロアレーを用いることにより、現存する超音波システムとトランスデューサのスイッチング回路ボードの全体の大きさを小型化することができる。この結果、大きさとコストと電力が大幅に減少し、またここに記述するように、いくつかのシステムとトランスデューサの性能が改善される。
超音波システムとトランスデューサは、ハンドヘルドの小型携帯用の設計でも、通常のセミポータブルコンソールの設計でも、かなり利益が得られると期待される。
【００１０】
（特定の実施例の詳細な説明）
（概観）
好適な実施例は、超音波システムでマイクロ機械デバイスを使用し、大きさとコストと電力処理が大きくなる問題を解決することに関する。このような問題は、システム設計者がこのようなシステムの価値と機能を向上させようとするときおこる。特に、好適な実施例は、別個の音響素子、トランスデューサ、トランスデューサケーブル、コネクタ、及び超音波システムの他の構成部品と結合したマイクロ機械部品の使用に関する。ここに「結合した」と言う言葉は、直接結合する、又は１つ又はそれ以上の中間構成部品を介して間接的に結合することをいう。マイクロ機械構成部品を使用して、高チャンネル数の要求（超音波システムが５１２又はそれ以上の多数の音響素子へ送信受信できる）による多重化の問題を解決し、高電力処理能力を与え、新しい能力があるより小さいトランスデューサを与える。
【００１１】
別個の電子機械デバイスの集積化、大きさ、コスト、効率、信頼性の問題を取扱うため、マイクロ機械学の分野が発展した。マイクロ機械学は、少なくとも部分的にシリコン、半導体、又は他の誘電体ウェハ上に集積回路を作るのに使用する装置とプロセスを使用して、本質的に色々の種類の微小な電気機械デバイスを作ることを含む。このようなマイクロデバイスの良く知られている例は、自動車のエアバッグ乗員拘束システム用のシリコンベースの加速度計／スイッチである。ここでは、マイクロデバイスが衝突による減速を検知し、電気的にバッグの膨張を起こさせる電荷を作動させることにより、エアバッグを展開させる。
【００１２】
マイクロ機械構成部品即ちデバイス（マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）デバイスともいう）は、構成部品の少なくとも１つの機械的即ち可動素子が半導体方式の処理を使用して製造される（即ち「マイクロ機械加工」）電気機械デバイスと定義される。このような処理には、薄膜蒸着、パターニング、エッチング技術が含まれる。蒸着技術には、業界で知られている基板上への材料の物理蒸着と、基板上への材料の生長が含まれる。このような蒸着技術で作られる薄膜は、一般に厚さが２５ミクロンのオーダーで、典型的には１０ミクロン又はそれ以下である。基板材料には、半導体、セラミック、ガラスが含まれ、ウェハ又は他の標準化された形とすることができる。パターニング技術には、リソグラフィーパターニング、印刷又は業界で知られている機械的パターン転写等の他の形式のパターン転写が含まれる。エッチング技術には、化学的「ウェット」エッチングと、プラズマ「ドライ」エッチングと、レーザーエッチングが含まれる。「マイクロ機械加工」という言葉は、マイクロ機械デバイスを製造するのに使用するこれらの半導体方式のプロセスをいう。さらに、マイクロ機械加工は、「バルク」のマイクロ機械加工と、「表面」のマイクロ機械加工とを含む。バルクのマイクロ機械加工は、基板のバルクをエッチングすることにより、機械的構造を製造するプロセスである。表面のマイクロ機械加工は、蒸着、パターニング、異なる材料層のエッチング、及び他の半導体形式のプロセスを使用して、基板の表面上に機械的構造を製造するプロセスである。
【００１３】
図１Ａ〜１Ｅに、マイクロ機械スイッチ90を作る例示の順番を示す。製造の順番は、初めに蒸着し、第１金属層100（クロム−金）をパターニングして、ガラス基板130上にゲート110と、コンタクト電極120とを形成する（図１Ａ）。次に、約２ミクロンの厚さの犠牲金属層140（銅）を堆積する（図１Ｂ）。これが２ステップでパターン化される。第１ステップで、犠牲層が部分的にエッチングされて、ビーム160用のコンタクトチップ150を形成する（図１Ｂ）。第２エッチングステップで、犠牲金属層140は、ソースコンタクト100の金属までエッチングされ、ビーム支持部170を形成する（図１Ｃ）。次に、犠牲金属層140の上にフォトレジスト180をスピンコーティングし、パターン化してビーム構造160用のマスクを形成する。ビーム160は、200ｎｍ厚さの金層200と、その上の2ミクロン厚さのニッケル層190からなる。これらの層は、どちらも電気めっき又は無電解めっきで形成することができる（図１Ｄ）。金層200は、スイッチが閉じるとき、金のコンタクトパッドとのコンタクト材料として作用する。最後に、好適なウェットエッチングプロセスにより犠牲層140を除去して、フリースタンディングビーム160を作る（図１Ｅ）。
【００１４】
半導体処理のバッチ処理の利点により、マイクロ機械デバイスは、シリコン、ガラス、又はセラミックの基板（即ち、ウェハ）上に同時に多数製造することができる。デバイスは、たわみマイクロカンチレバー、たわみダイヤフラム等の動く部材を組込むことができる。デバイスは又、マイクロ流体又はマイクロ気体デバイス内に動くガス又は流体を組込むことができる。このようなデバイスの動く部材は、歪み、変形、並進、反り、回転、トーション又は他の動きにより移動することができる。さらに、マイクロ機械デバイスは、静電、磁気、圧電、電磁、慣性、気圧、液圧又は熱マイクロ作動機構のうち少なくとも１つを組込むことができる。プロトタイプのマイクロ機械スイッチは、特に静電、磁気、電磁、熱、及び慣性マイクロ作動手段を使用した。スイッチとリレー用に可能なマイクロ作動機構は、幾つかあり良く知られていて、本発明に重要なものではない。このようなデバイスがマイクロ機械的な形で超音波の用途に用いられ、その結果、性能と、コストと、パッケージと、信頼性が増したということが、ここでは重要である。化学センサー等の他のマイクロ機械デバイスは、物理的／機械的作動手段を有さず、受け身的な読み出しのみを与える。典型的には、マイクロ機械デバイスは、パッケージされたチップの形で顧客に提供される。チップパッケージは、典型的にはＩＣチップパッケージ（セラミック、プラスチック、金属）であり、各々が少なくとも１つ時には多数のデバイスを含む。
【００１５】
超音波像形成システムの設計で特に興味のあることは、マイクロ機械スイッチ又はリレーのアレーにより、現存の大きなプリント回路ボード（現在の別個のスイッチとリレーでは一般的である）を実質的になくすことができるということである。マイクロ機械技術を使用して作ったマイクロアレーにしたマイクロリレー又はマイクロスイッチを使用して、非常に小型のデバイス内に所望の数のこのような構成部品を配置することができ、新しい設計上の自由度が得られる。
【００１６】
好適な超音波像形成の実施例として、初めにマイクロ機械スイッチとリレーに焦点を当てたが、超音波で、電気的及び機械的な別のマイクロ機械の用途があることが、この発明により明らかになる。これらには、例えばマイクロ機械インダクター、マイクロ機械光ファイバースイッチ、マイクロ機械移相器、マイクロ機械コネクタ（電気、光、液圧、気圧）、マイクロ機械ヒューズ、回路遮断器、マイクロ機械バルブ、最近の指紋圧力検知チップ等のマイクロ機械生体測定使用者識別デバイスがある。
【００１７】
マイクロ機械学の分野では研究が進み、マイクロ機械のマーケットから合計のマイクロリレーのマーケットは現在発展途上にあることが分かり、2006年に市場が飽和すると予測される。静電作動マイクロ機械スイッチとリレーの領域では開発が進み、その結果できた製造プロセスと材料は、マイクロ機械スイッチのアレーを作るのに好ましく、我々はこれを超音波システムに適用できると考える。
【００１８】
マイクロリレーと、ニッケルマイクロリレーで更に開発がなされた。これらは、マイクロヒューズ、より正確には衛星の用途のマイクロ回路遮断器に関する開発を記述した参考文献と、マイクロ機械の形の無接触容量スイッチアレーの開発を記述した参考文献である。別の参考文献は、マイクロ機械スイッチをもとにした移相器を記述し、特にこのようなデバイスの挿入損失が10ＧＨｚで0.2ｄＢしかないことが示された。ビーム操作による位相シフト、及び信号混合と操作を行うための超音波の用途もまた、非常に魅力的である。
【００１９】
特に、マイクロ機械スイッチは、位相シフトにはずっと自然なデバイスである。要するに、これは電子構成部品では非常に一般的なトグルスイッチの小型化版である。空間的電力結合の領域では、マイクロ機械スイッチは移相器として有利であるが、平面の場合とは実行方法が異なる。平面のアレーは、全波面で作用するので、マイクロ機械移相器を各セルに加えて、ビームを操作するのに必要な適当な量の位相シフトを与えることができる。多くの点でこの機能は、光学でプリズムにより行われる機能に似ていて、入口と出口のビーム角度の差が電子制御されるという別の利点がある。
【００２０】
別の参考文献は、マイクロ機械デバイスを概観し、マイクロ機械加工されたシリコン可変インダクターとラッチング加速度計の開発を記述する。このようなインダクターは、寄生電流が少なく、開状態での分離が良く、プログラムできるので、超音波に非常に魅力的である。
【００２１】
さらに、次の２つの参考文献をここに参照するが、これらはマイクロ機械スイッチ及び／又はリレーに関する。(1)W.Taylerらによる「Fully integrated magnetically actuated micromachined relays」Journal of Microelectromechanical Systems、(1998年6月1日)７巻2号p181、及び(2)Nishioらによる「Characteritics of micro-mechanical electrostatic switch for active matrix displays」 IEICE Transactions on Electronics、（1995年9月1日）78巻9号p1292。
【００２２】
マイクロ機械デバイスは多くの利点があるが、主な利点の幾つかは、単に電力処理、大きさ、小さい領域に多くのデバイスを入れることができることである。今日の超音波システムでは、バンド幅の必要性が増しているので、大きさと電力使用の両方で扱いにくいシステムで困らないようにするためには、高電力パルスを操作できる密に詰めた構成部品は、非常に有利である。
【００２３】
（第１の好適な実施例）
増加するチャンネル数とバンド幅の結果が明らかな主な領域の１つは、超音波システムスイッチングボードの領域である。超音波システム又はコンソールの内側のスイッチングボードは、システムの外側の多数のトランスデューサコネクタレセプタクルへシステム信号を送信し、及び／又は受信するのにしばしば使用される。これらの外部システムコネクタの各々は、64から512又はそれ以上のコンタクトを有する場合があり、4〜6のこのようなトランスデューサコネクタがある場合がある。差込可能な像形成トランスデューサは、多重化してないとき、音響アレー内におよそ個々のコネクタのピンの数に対応する多数の圧電素子を有する。超音波像形成トランスデューサは、非常に多数の圧電素子を有し（例えば、200〜500又はそれ以上）、トランスデューサ自体の内部にスイッチが必要であり、莫大な数の圧電素子が少数でより合理的な数のケーブルワイヤーをシェア（即ち、多重化）するようにする。他の場合は、スイッチのアレーが、トランスデューサコネクタ自体内（トランスデューサケーブルのシステム端部）に設けられ、第１の数のトランスデューサ圧電素子を、第２の異なる数の利用可能なシステムチャンネルと、結び付ける（シェアする）。このアプローチにより、トランスデューサの重量と電力消費を最小限にすることができる。使用者は、プローブを保持する間スイッチを手で保持しないからである。さらに、更に多数の音響素子に高パルス電圧をかけられるので、現在は弱い高調波音響信号とバンド幅を強調することができる。
【００２４】
図２Ａは、上述した従来のシステムのスイッチングボード1の概略図（縮尺は一様ではない）。ボード1は、多数の従来のリレー3（128又はそれ以上）が2つの主面の少なくとも一方に配置されている。ボード1は、従来のエッジカード形コネクタコンタクト5を有する。ある特定の場合では、ボードは、128のＳＰＤＴ（単極双投）リレー3を有する。このようなリレー3は、Omron、Hamlin、CP、Clare and Cotto.等から入手することができる。このような従来のリレー3は、各々が長さ約0.75インチ、幅約0.25インチ、高さ0.25インチで、このボードの面積は約0.75×0.25インチである。さらに、電気的なクロストークを最小限にするため、２つのこのようなリレーの間に約0.25インチの間隔をおくのが好ましい。スイッチングボード1は、極めて大きく、最大寸法は１フィート即ち12インチを超える。現在Supertex社から得られる非常に良い技術（図示せず）により、面積が0.46×0.46インチの1つのハウジング内に16までのこのような機能的に近似したスイッチ3を集積することができる。このようなスイッチを使用すると小さい回路ボードを得られるが、このような構成部品の益々強くなる要求を満たすことができない。
【００２５】
図２Ｂは、本発明の第１実施例を示す。（ボード1と比較して）ずっと小さいボード2は、２つのマイクロ機械マイクロリレーチップ4を有し、その各々はパッケージされ約0.5〜1.0インチ平方で、ボード2の表面上に取り付けられる。これらのマイクロリレーチップ4の各々は、64のマイクロリレーを容易に備えることができる。従って、このボード2は従来のボード1と作用は同じであるが、5〜10倍小さく、特に多数のマイクロリレーが連動式になっている場合は、ずっと消費電力が少なく、ずっと安価で、高電圧を切換えることができる。ボード2は又、エッジカード接続部6を有する。ここに記述した好適な実施例を使用して、ボード2の寸法は、高さ2インチ又はそれ以下、幅6インチ又はそれ以下とすることができる。同時に、上述した電気的性能の利点は、ボード1とそのデバイス3を使用する従来のリレーのアプローチより有利である。マイクロリレーについて行った研究により、実際的な目的で20,000もの別個のリレーを1つのチップ上に集積することができた。歩留まりと、連動式リレーの使用、及び高電流の取扱いを考慮に入れて、数はチップ当たり1000程度となる。従って、マイクロ機械技術を使用すれば、例えば64の各々を平行な8つの群にして、チップ当たり64のリレーを容易に達成できることが分かる。
【００２６】
マイクロリレーは、アクチュエータと、コンタクト機能の間の関係により、マイクロスイッチと区別される。リレーでは、アクチュエータとスイッチング機能は、分離され電気的に絶縁され、最低４つの端子が必要である。
【００２７】
第１実施例の主な変形は、トランスデューサ自体内（又はトランスデューサケーブル内のトランスデューサコネクタの端部）に小型のマイクロリレー切換え装置を与え、少ない数のトランスデューサケーブルワイヤの間に多数の音響素子（又はシステムチャンネル）を多重化することである。現状のトランスデューサは、256のワイヤーケーブルと512の音響素子のアレーを有する。現在このトランスデューサは、内部にパッケージするために、各々が2×3インチの大きさの2つの多層両面スイッチングボードを必要とする。これらのボードが、44のSupertex社のスイッチングチップを支持する。各々のこのようなチップは、6つのスイッチを有し、0.46×0.46インチの面積である。約１／３の大きさの1つのボードを使用して、１つのマイクロリレーアレーチップを片面に取り付けて、同じ切換え性能を行うことができる。これは、コスト、電力、性能上の高い利点がある。
【００２８】
（第２の好適な実施例）
図３は第２の実施例を示し、超音波アレーとマイクロリレー（又はマイクロスイッチ）の共に集積したアレーを示す。トランスデューサ基板7は、シリコンチップ、ガラス上シリコン、ガラス又はセラミック基板でも良い。音響素子8のアレーが左側に示される。マイクロリレー9のアレーが右側に示される。外界に接続するため、ワイヤボンドパッド10の組が設けられる。マイクロリレー又はマイクロスイッチ9を、音響素子8のアレーと共に集積することにより、個々の音響素子8のアレーへとそこからの信号のスイッチングをオンボードで局所的に行うことができる。典型的な超音波の用途では、トランスデューサ7へ走るケーブル内のワイヤより多い圧電素子8を有する（ケーブルワイヤはボンドパッド10で取り付けることができる）。局所的マイクロリレー9により、より少ない数のワイヤ（ワイヤはボンドパッド10に接続する）の間で音響素子8の多重化即ち切換えが可能になる。これは多重化といわれる。
【００２９】
カテーテルベースのトランスデューサでは、ケーブル内に8のワイヤを有し（低コスト、小断面積、及び融通性のため）、音響アレー内に256の音響素子8を有し、256のマイクロリレー9により8のワイヤの間で切換えることができる。色々のラパラスコープ又は他の低コストチューブ状医用スコープを用いて、集積化スイッチングを有するこのようなトランスデューサを取り付けることができる。このような共集積化により、コストが安くなり、このようなカテーテルベースのトランスデューサの使い捨てバージョンが可能になる。
【００３０】
デバイス7について、幾つかのことを詳細に述べる。第１に、音響素子8は、薄膜素子（例えば、酸化亜鉛、又はｐｚｔ）、又は静電容量性マイクロ機械素子等の任意のもので良い。第２に、素子8のアレーは、線形、又は２次元アレー等の任意のアレーの配列をとっても良い。第３に、マイクロリレー（又はマイクロスイッチ）9は、チップの同じ側（図示）でも良く、又はチップの反対側の面（図示せず）にあり、縁を回り込んで又はビアを通って接続しても良い。また、音響素子アレーの中で混合しても良い。第４に、外部相互接続の手段は、重要ではなく、ワイヤボンドパッド10が示されているが、フリップチップ又はテープ式自動接着手段を使用することもできる。最後に第５に、図３で重要なことは、基板７を横切る細い線11である。ここに継ぎ目即ち結合部があっても良く、１つのモノシリックの基板ではなく、１つのモノシリックの基板と同様の作用をする２つ又はそれ以上の近くに配置された基板7でも良い。その場合、継ぎ目11は、２つ又はそれ以上のこのような独立の基板7と7'の（図示せず）が近接して配置され、又は当接していることを示す。別個の基板7と7'を第３の基板（図示せず）上に配置し、7と7'の少なくとも２つをその上に配置し、通常のハイブリッド回路ができるようにしてもよい。この場合、マザーの基板は、7と7'の間で信号等を送るのに必要な相互接続を有し、構成部品7と7'は、ＢＡＧ（ボールグリッドアレー）相互接続手段を使用して、マザー基板上に取り付けても良い。
【００３１】
明らかに、図３にはリレー９と音響素子8とパッド10の間に多くの相互接続がある（図示せず）。少なくとも１つの継ぎ目11がある２つ又はそれ以上の別の基板を使用することにより、継ぎ目を横切る接続を形成する必要がある。好適な実施例は、また２つの基板7と7'（図示せず）を使用する場合を含む。ボールグリッドアレー（ＢＡＧ）相互接続技術を使用して、一方が他方に面と面で（又は端部と端部で）直接結合され、これらの必要な相互接続を一度に形成し、音響とスイッチングの機能を行う１つのチップ（積層されていても）を提供する。
【００３２】
デバイス７はまた、マッチング層、減衰裏打ち材、分離ウィンドー、又は音響レンズ等の他の有用な音響構成部品（図示せず）と結合、又は当接されていてもよい。
図３について記載したアプローチで可能なコスト削減により、自動化装置を使用して、安価で使い捨ての高品質のアレーをウェハの形で多数作ることができる。
【００３３】
アレーにし、マイクロ機械加工したデバイス（4、9等）は、受動でも能動でも任意の有用な構成部品で良く、音響アレーは１つ又はそれ以上のこのようにマイクロ機械加工した小型デバイスにより支持され、実質的に空間、電力、コストが節約され、又は信号強度が改善される。スイッチ又はリレーと異なる構成部品の優れた例を挙げると、各デバイス9（又は4）が、トランスデューサをシステムに対してインピーダンス整合させるために使用するマイクロ機械インデューサ、又はマイクロ機械インダクターのアレーである。従来のスイッチと同様に、従来のインデューサは、ボードのスペースを非常に多く使用する。最後に、デバイスのアレー4又はデバイス7は、トランスデューサの識別、トランスデューサの履歴、トランスデューサのビーム形成マイクロコード、トランスデューサの校正情報等を記憶するためのメモリー手段を組込むこともできる。
【００３４】
従来のリレーは、典型的には約プラスマイナス（＋／−）100ボルトのパルスまでしか取扱えないが、マイクロリレーは特に連動式で使用すると、プラスマイナス（＋／−）300ボルトのパルスまで切換えることができる。別の電圧能力が、より強い音響伝達パルスを与え、それによりより強い戻りの音響信号（ＦＤＡ音響出力限度内に保つ）を得る。より強い伝達パルスの能力は、アクソンの天然組織高調波像形成方式(Acson's Native Tissue Harmonic ImagingTM)等の高調波像形成モードで見られる高調波戻り信号を強化するのに非常に有用である。このような高調波動作モードでは、戻り高調波信号は（送信された基本周波数に対して）比較的弱く、戻り高調波信号の振幅を増すことができるのは非常に魅力的である。より高い電圧パルス能力は、また散在する２次元音響アレー（３Ｄ体積の像形成ができる）を構成するとき非常に有用である。ここでは、素子のかなりの部分を除外する（主に歩留まりとコストの理由により除外する）が、良い信号を保持する必要がある。
【００３５】
良く知られているように、デバイス７は、多層又は積層した（中間層は電極付き）圧電素子8を使用し、トランスデューサのシステム駆動電子回路に対するインピーダンス整合を改善することができる。業界で最近行われたように、近距離音場での音響ビームを狭くする目的で、素子8を複数のアパーチャ（例えば、ストリップ）内に配置し、前記アパーチャを別々にオンオフできるようにしてもよい。素子8又はその群は、異なる音響性能又は異なる電気音響又は材料特性を有するように配置することができる。このように、このような異なる素子の間で切換えることにより、全体の音響ビームのスペクトルの性能を操作することができる。これは、バンド幅を増加させる、スペクトルにノッチを作る、面のアポディゼーションを達成する、複数の素子8の層の間でスイッチングする等の目的で行われる。
【００３６】
（第３の好適な実施例）
次の好適な実施例は、ＭＵＴ即ち「マイクロ機械超音波トランスデューサ」として知られる特定の種類のトランスデューサ音響素子である。好適な実施例では、ｃＭＵＴ即ち容量性（静電）ＭＵＴが使用される。これらは、本質的にマイクロ機械技術を使用して作られた電気的に駆動可能な振動マイクロダイヤフラム即ち膜であり、振動するダイヤフラム（膜）／チャンバの各側にキャパシター電極があり、ダイヤフラム／膜の横（最大）寸法は、ミクロン範囲ほど小さいかもしれない。このようなデバイスとその製造に必要なプロセスは、業界で知られている。さらに、次の参考文献は、ｃＭＵＴについて詳述していて、これらの文献をここに参照する。
【００３７】
"Micromachined Capacitive Transuducer Arrays for Medical Ultrasound Imaging" X.C.Jin, F.L.Degertekin, S.Calmes, X.J.Zhang, I Ladabaum, B.T.Khuri-Yakub(Stanford) (1998 IEEE Conference in Sendai)
"Novel Silicon Nitride Micromachined Wide Bandwidth Ultrasonic Transducers" R.A.Noble, R.J.Robertson, D.R.Billson, D.A.Hutchins (University of Warwick) (1998 IEEE Conference in Sendai)
"Surface Micromachined Capacitive Ultrasonic Transducers" Igal Ladabaum, Xuecheng Jin, Hyongsok T.Soh, Abdullah Atalar, Butrus T. Khuri-Yakub (IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq.Ctl Vol 45, No.3, May 1998)
【００３８】
図４Ａを参照すると、容量性マイクロ機械音響素子（ｃＭＵＴ）の中心周波数は、そこを横切ってかけられるＤＣバイアス電圧により制御できることが知られている（例えば、上述のLadabaumの参考文献を参照）。ＤＣバイアスが張力を増して膜に応力をかけ、そのため、振動中回復力が高くなるので、これは本質的である。図４Ａは、このような素子8の1つを示し、この例では、マイクロ機械容量性音響素子即ちｃＭＵＴである。図４Ａの右側には、幾つかの電圧入力12,13...Nがあり、これらの各々は、素子8に特定のＤＣバイアス電圧を与えることができるバイアス源手段である。従って、マイクロリレー14,15...を使用してマイクロスイッチングすることにより、ｃＭＵＴ8に所望の値の電圧バイアスをかけることができ、その中心周波数を所望の値に設定することができる。本発明の所望の実行では、第１バイアス電圧12により素子8が送信の中心周波数で作動するようにする。ＤＣ阻止用キャパシター（ＣＡＰ）16も、オプションの阻止用ユニット16aとともに設けられる。音響を受信すると、時間遅れの後、第２バイアス電圧13（又は両方を同時に加える）が代りに素子8にかけられ、素子8が、所望の（通常は高い）高調波の受信周波数の近くの特性受信音響操作スペクトルを有するようにする。例として、ｃＭＵＴの中心送信周波数は、バイアス12を使用して3.5ＭＨｚであり、より高いｃＭＵＴの第１高調波周波数はバイアス13を使用して7.0ＭＨｚであるかもしれない。このような高調波像形成用の周波数のスイッチングは、業界で知られている。ｃＭＵＴへの送信パルス電圧は、第１バイアスを使ってかけられ、音響受信は第２バイアスを使って行われる。又は、別体の送信と受信素子8、即ち専用素子を使用することもできる。さらに、バイアス電圧の数を２に制限する必要はない。
【００３９】
図４Ｂは、図４Ａのバイアスの特に好適な実施例であり、多数の固定電圧バイアス源を切換えるのに別個のマイクロ機械スイッチのアレーを使用する（図４Ａ）代りに、マイクロ機械スイッチと抵抗器を有するデジタル／アナログ（ＤＡＣ）コンバータを使用し、マイクロ機械ベースのＤＡＣにより、１つのバイアス源を使用してｃＭＵＴにかける電圧バイアスを制御することができる。
【００４０】
図４Ｂでは、ｃＭＵＴは、中心周波数を変化させるためバイアス電圧制御器を有する。しかし、各々を別に切換えられる複数の特有のバイアス電圧をかける（図４Ａ）代りに、１つのバイアス電源12がＤＡＣ17へつながる。制御信号18もＤＡＣ17へ入る。適当なデジタル制御信号18をＤＡＣ17へ送りことにより、ｃＭＵＴ8にかける電圧バイアスを電源12の同じ部分で制御する。例として、バイアス12は200ボルトで、ＤＡＣは16又は32の低下させた電圧を与えることができる。さらに、ＤＡＣ17自体をマイクロリレー又は抵抗器と結合したマイクロスイッチで構成しても良い。抵抗器は、製造時にレーザーで特に正確にトリミングされ、各々の電圧選択用の値に設定できるようにする。従って、図４Ｂから、音響素子の製造とサポートする電子構成部品の両方に、マイクロ機械技術が用いられることが分かる。
【００４１】
図４Ｃは、マイクロ機械マイクロリレー又はマイクロスイッチの他の用途を示す。図４Ｃはトランスデューサアレー23の平面図を示す。アレー23は、直交（即ち、交差）電極の組を有する。一方の電極の組19（19a,19b,19c...）は、個々の圧電素子が水平方向に線形に（上から下まで）配列されている。他方の電極の組20（20a,20b,20c...）は、各圧電素子の上下方向の共通のサブ部分に向けられる。電極20a,20b,20c...は、マイクロ機械マイクロリレー又はマイクロスイッチ14a,15a...により、色々のバイアス源に切り換え可能である。アレーは、バイアス電圧源12aと、バイアス制御手段22を有する。この電圧の配置で、色々の利点があることは、当業者に明らかであろう。第１の例では、アレーは極のあるＰＺＴ圧電材料で、マイクロ機械マイクロリレーは、単に全ての素子の高さ方向の色々の部分をターンオン及び／又はオフするのに使用され、近接した像形成では送信、受信、又は両方の間、高さ方向のスライス厚さを狭くし（即ち、並進）有利である。
【００４２】
第２の例は、アレーがＰＺＮ等の電わい圧電材料でできていて、その音響応答は永続的ポーリングによってではなく、選択可能な一時的バイアスをかけることにより、選択可能な応答レベルを達成する。この方式では、バイアスが永続的ポーリング2に代るが、圧電材料は送信のため（バイアスをかけて）パルスをる必要がある。とにかく、電わい材料を使用して、（送信と受信の）音響応答の大きさを制御し、また素子又は素子の上下方向部分のオン、オフを制御できる。同軸ケーブル（ワイヤ、即ちボードトレース）21（21a,21b,21c...）は、各圧電素子の19a,19b,19c...の電極へ向けられる。
【００４３】
図４Ｄは、７×７（即ち49）の素子からなる正方形の２次元（２Ｄ）アレーを示す。図に示すように、素子はデジット1,2,3又は4と分類される。デジット1〜4は、非常に広帯域のアレー用の望ましい中心周波数の４つのレベルを表す。このレベルは、中心で高い周波数で（例えば、４）、アレーの縁部で低い周波数（例えば、１）になるように分布しても良い。アレー内の各ｃＭＵＴ素子（合計49）は、少なくとも１つの専用マイクロリレー又はマイクロスイッチと、所望のバイアスレベルを対の素子にかけることができる相互接続（図示せず）により、アドレス可能である。
【００４４】
図４Ｄで、素子の周波数を制御するのに加えて又はその代わりに、オン／オフ状態、又は電気音響アクテビティ（例えば、電わい圧電材料を使用）の程度を制御することができる。従って、例えば、３Ｄ像形成のため一度に1つの面にアレーの表面を横切って移動線形アパーチャを通すか、又はアポディゼーションの目的である素子を弱めることもできる。
【００４５】
図４Ｄに示す２Ｄアレーは、現在造るのが非常に高価である。Ｎの２乗即ちＮ×Ｎのスイッチが必要だからである。マイクロリレー又はマイクロスイッチを使用すると、コストの点でも、またパッケージと小型化の点でも、この問題を解決する。
図４Ｄのデバイスを「散在するアレー」の設計とし（図示せず）、素子の選択した部分のみが実際に音響的に作動するようにしても良い。
【００４６】
次のリストは、最後の２つの図面に示すマイクロ機械デバイスを使用した魅力的な超音波の用途を要約している。
１．（必要により）素子ごとをベースとする単一と２Ｄアレー内の素子の切換えとアパーチャのアポディゼーション（感度制御）；
２．交差電極技術を使用した２Ｄアレー内の素子の切り換えと感度制御（１と比較して複雑でない）；
３．素子ごとをベースとする単一と２Ｄアレー内の素子の周波数／チューニングで「周波数と位置の関係を可変」型のアパーチャを可能にする；
４．交差電極技術を使用して、２Ｄアレー内の素子の周波数制御／チューニング；
【００４７】
５．単一と２Ｄアレーで、時間により周波数制御／チューニングし、高調波像形成をよりよく実施する。低周波数を送信し、次に急速に高周波数（高調波）受信に切換える。
６．２Ｄアレー内でアパーチャの並進及び／又はスライス画像面の回転；
７．任意の目的（３Ｄビーム形成、又は移動アパーチャ２Ｄ及び／又は３Ｄ像形成）に使用する低コストで小型の完全切り換え可能な２Ｄアレー。
【００４８】
上述した実施例の広い範囲の変更と変化は、当業者には明らかで企図されるであろう。それゆえ、前述した詳細な説明は、制限するものではなく例示であり、本発明の精神と範囲を定義するのは、特許請求の範囲と、その均等範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  好適な実施例で使用する例示のマイクロ機械スイッチの製造プロセスの第1の金属層ステップを示す図である。
【図１Ｂ】  好適な実施例で使用する例示のマイクロ機械スイッチの製造プロセスの犠牲層ステップを示す図である。
【図１Ｃ】  好適な実施例で使用する例示のマイクロ機械スイッチの製造プロセスの犠牲層のエッチングステップを示す図である。
【図１Ｄ】  好適な実施例で使用する例示のマイクロ機械スイッチの製造プロセスのビームマスキングステップを示す図である。
【図１Ｅ】  好適な実施例で使用する例示のマイクロ機械スイッチの製造プロセスの最終エッチングステップを示す図である。
【図２Ａ】  超音波システムで使用できる従来のスイッチングボードの図である。
【図２Ｂ】  マイクロ機械スイッチ又はリレーを使用する好適な実施例の代りのスイッチングボードである。
【図３】  超音波アレーとマイクロ機械スイッチングアレーを近接して組込んだ好適な実施例の基板である。
【図４Ａ】  切り換え可能電圧バイアスが、好適な実施例の容量性マイクロ機械超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）の中心周波数を調節する方法を示す図である。
【図４Ｂ】  マイクロ機械スイッチと抵抗器を備えるデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）を使用して、図４Ａでバイアスをかけ、１つの電源のバイアスを使用してｃＭＵＴにかける電圧バイアスを制御する図である。
【図４Ｃ】  好適に実施例の交差電極を有するＭＵＴトランスデューサの概略図であり、色々の高さのサブアパーチャにかける電圧バイアスをマイクロ機械マイクロリレー又はマイクロスイッチを使用して切り換える。
【図４Ｄ】  好適な実施例の４９素子の２次元トランスデューサアレーの図であり、各素子はマイクロ機械スイッチ又はリレーを使用して別個に切換え可能である。中央の素子は、縁の素子より高い周波数を有するようにバイアスされる。
【図１Ａ】
0004763133.tif 000002
【図１Ｂ】
0004763133.tif 000003
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
0004763133.tif 000010
【図４Ｂ】
0004763133.tif 000011
【図４Ｃ】
0004763133.tif 000012
【図４Ｄ】
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