(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体中に圧力波を発生させてそれを感知するための装置であって、
各変換器要素が膜、単一駆動／感知電極、及び基準電極を有する複数の変換器要素を含むマイクロ機械加工超音波変換器（ＭＵＴ）アレイを含み、
前記複数の変換器要素の各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第１発振モードの個別の第１発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第１発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第１発振モードそれぞれが第１周波数帯域の第１共振周波数の個別の周波数に対応し、
前記複数の変換器要素の各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第２発振モードの個別の第２発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第２発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第２発振モードそれぞれが第２周波数帯域の第２共振周波数の個別の周波数に対応し、前記複数の第１発振モード及び前記複数の第２発振モードが異なる個別の発振モードを含み、前記第２共振周波数の一又は二以上が前記第１共振周波数のいずれより大きく、
前記装置は、
前記ＭＵＴアレイに接続された駆動又は感知回路であって、前記複数の第１発振モードを有する第１モードと前記複数の第２発振モードを有する第２モードとを含む前記ＭＵＴアレイの少なくとも２つの発振モードを誘起する駆動又は感知回路を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第２周波数帯域の中心が、前記第１周波数帯域の中心の約２倍であり、
前記第１周波数帯域及び前記第２周波数帯域のうちの１つ又はそれよりも多くが、第３又はより高い前記ＭＵＴアレイのモードに対応する共振周波数を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の第１発振モードの一つに対応する共振周波数が、前記複数の第２発振モードの一つに対応する最も低い共振周波数よりも高いことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の第１発振モード及び前記複数の第２発振モードが、それぞれ、前記ＭＵＴアレイの少なくとも１２０％−６ｄＢ比帯域幅であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ＭＵＴアレイは、該アレイの変換器要素が圧電膜サイズの範囲を有する圧電ＭＵＴ（ｐＭＵＴ）であり、
前記第１共振周波数帯域は、前記圧電膜サイズの範囲の関数である、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記駆動回路は、前記変換器要素のうちの少なくとも一部を少なくとも前記第１周波数帯域を誘起する第１電気信号を用いて駆動するよう、前記ＭＵＴアレイに結合された信号発生器を含み、
前記感知回路は、前記第２周波数帯域からの成分を含む第２電気信号を前記変換器要素のうちの少なくとも一部から受信するよう、前記ＭＵＴアレイに結合された信号受信機を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１電気信号は、前記複数の第１発振モード及び前記複数の第２発振モードの両方を誘起し、
前記第２電気信号は、前記第１周波数帯域及び前記第２周波数帯域の両方からの成分を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記複数の第１発振モードは、前記アレイの第１チャネル上に誘起され、前記複数の第２発振モードは、該アレイの第２チャネル上に誘起され、
前記第１周波数帯域からの成分が、前記第１チャネルから収集され、前記第２周波数帯域からの該成分は、前記第２チャネルから収集される、
ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１電気信号は、前記複数の第２発振モードにわたって前記複数の第１発振モードのパルス幅及び形状を有し、前記複数の第１発振モードのみ誘起し、
前記信号受信機は、前記第２周波数帯域に関連付けられた前記第２電気信号の成分を前記第１周波数帯域に関連付けられた前記第２電気信号の他の成分からフィルタリングする、
ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
異なるサイズの膜が、同じチャネル内の膜間の破壊的相互作用を回避し、かつ隣接するチャネルの膜間のクロストークを回避するよう、基板上に空間的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記膜の少なくとも１つの寸法が、最小値と最大値の間で変化し、あらゆる２つの隣接膜間の寸法差よりも大きい範囲におよぶことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記膜の前記サイズは、少なくとも３つの隣接膜の第１のシリーズにわたって区分的に増大し、かつ少なくとも３つの隣接膜の第２のシリーズにわたって区分的に減少し、
前記第１及び第２のシリーズの両方は、最大寸法の１つの膜と最小寸法の１つの膜を含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記要素サイズ変動は、前記アレイの少なくとも１つの寸法の循環関数であり、前記チャネル集団の反復単位内にｎ個の異なる膜タイプのうちの２つを与えることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
楕円体膜の第１半軸長のみが、チャネル内で基板の第１寸法にわたって変更され、該楕円体膜の第２半軸長のみが、チャネル内で該基板の第２寸法にわたって変更されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
マイクロ機械加工超音波変換器（ＭＵＴ）アレイであって、
基板の区域にわたって配列され、第１変換器要素及び第２変換器要素を含む複数の変換器要素と、
前記複数の変換器要素の各々に結合された基準電極と、
前記複数の変換器要素のサブセットに互いに並列に結合されて前記アレイのチャネルを形成する駆動／感知電極であって、前記チャネルが前記第１変換器要素及び前記第２変換器要素を備えた第１チャネルを含み、前記第２変換器要素の膜に第２発振モードを誘起する電気信号によって駆動されたときに前記第１変換器要素が第１発振モードに入るように寸法決定された膜を有し、前記第１発振モードが前記第２発振モード以外であり、前記第１発振モード及び前記第２発振モードが、それぞれ、個別のベッセル関数の解に対応し、前記第１変換器要素及び第２変換器要素間の前記膜の寸法が、前記第１チャネル内のあらゆる２つの隣接要素の膜間の寸法差よりも大きい範囲におよぶ、前記駆動／感知電極と、
を含むことを特徴とするアレイ。
【請求項１６】
前記第１チャネル内の変換器要素の個別のサイズが、第１寸法にわたって循環的に変化し、前記第１チャネルの各変換器要素について、前記変換器要素が、第２寸法に沿って、前記第１チャネルの個別の他の変換器要素に近接し、前記変換器要素のサイズに対して、前記他の変換器要素が、前記第１チャネルの複数の要素サイズの２番目に最小である、又は、前記複数の要素サイズの２番目に最大であることを特徴とする請求項１５に記載のＭＵＴアレイ。
【請求項１７】
前記第１チャネル内の変換器要素の個別のサイズが、前記アレイの少なくとも１つの寸法の循環関数によって変動し、前記第１チャネルが、少なくとも３つの膜の第１のシリーズを有する複数の反復単位を含み、前記第１のシリーズの連続する膜が、第１寸法に沿ったサイズで区分的に増大し、少なくとも３つの膜の第２のシリーズが、前記第２のシリーズの他の個別の膜に近接し、前記第２のシリーズの連続する膜が、前記第１寸法に沿って区分的に減少する、
ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
媒体中に圧力波を発生させてそれを感知する方法であって、
マイクロ機械加工超音波変換器（ＭＵＴ）アレイの少なくとも一部の変換器要素の電極を第１電気信号を用いて駆動する段階を含み、
前記ＭＵＴアレイの各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記ＭＵＴアレイの複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第１発振モードの個別の第１発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第１発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第１発振モードそれぞれが第１周波数帯域の第１共振周波数の個別の周波数に対応し、前記ＭＵＴアレイの各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第２発振モードの個別の第２発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第２発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第２発振モードそれぞれが第２周波数帯域の第２共振周波数の個別の周波数に対応し、前記複数の第１発振モード及び前記複数の第２発振モードが異なる個別の発振モードを含み、前記第２共振周波数の一又は二以上が前記第１共振周波数のいずれより大きく、前記第１電気信号が前記第１共振周波数帯域に関連する少なくとも第１発振モードを誘起し、
方法は、
前記第２共振周波数帯域に関連付けられた第２発振モードに対応する少なくとも１成分を含む第２電気信号を前記電極から受信する段階
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記駆動する段階は、前記第１周波数帯域及び前記第２周波数帯域の両方を誘起し、
前記第２電気信号は、前記第１及び第２周波数帯域の両方からの成分を含む、
ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１周波数帯域は、前記アレイの第１チャネル上に誘起され、前記第２周波数帯域は、該アレイの第２チャネル上に誘起され、
前記第１周波数帯域からの成分が、前記第１チャネルから収集され、前記第２周波数帯域からの該成分は、前記第２チャネルから収集される、
ことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１電気信号は、前記第２周波数帯域よりも前記第１周波数帯域を誘起するパルス幅及び形状を有し、
信号受信機が、前記第２周波数帯域に関連付けられた前記第２電気信号の成分を前記第１周波数帯域に関連付けられたものからフィルタリングする、
ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
圧電マイクロ機械加工超音波変換器（ｐＭＵＴ）アレイの周波数応答を最適化する方法であって、
１つ又はそれよりも多くの公称周波数応答を達成するよう複数のｐＭＵＴ要素パターン化マスクレベル内の特徴部を公称寸法決定する段階と、
電極と変換器膜の圧電材料との間の接触面積を定める１つ又はそれよりも多くのマスクレベル内の特徴部の寸法を前記アレイの区域にわたって変更する段階と、
前記変更された寸法に関連付けられた測定応答から感度マトリックスを発生させる段階と、
複数の公称寸法決定されたｐＭＵＴ要素パターン化マスク層を用いて前記アレイからターゲット応答を達成するように必要とされる電極と前記変換器膜の圧電材料との間の前記接触面積を決定する段階と、
を含み、
前記ｐＭＵＴアレイの各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記ｐＭＵＴアレイの前記複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第１発振モードの個別の第１発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第１発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第１発振モードそれぞれが第１周波数帯域の第１共振周波数の個別の周波数に対応し、前記ｐＭＵＴアレイの各変換器要素について、前記変換器要素の膜は、前記複数の変換器要素の個別の膜によって、それぞれ、複数の第２発振モードの個別の第２発振モードに入るように寸法決定され、前記複数の第２発振モードそれぞれが個別のベッセル関数の解に対応し、前記複数の第２発振モードそれぞれが第２周波数帯域の第２共振周波数の個別の周波数に対応し、前記複数の第１発振モード及び前記複数の第２発振モードが異なる個別の発振モードを含み、前記第２共振周波数の一又は二以上が前記第１共振周波数のいずれより大きいことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記特徴部は、前記圧電材料と前記電極の間に配置された誘電体層内の窓であり、
前記１つ又はそれよりも多くのマスクレベルは、前記窓の臨界寸法（ＣＤ）を定める単一マスクレベルである、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記窓ＣＤは、前記ｐＭＵＴアレイの異なるチャネルにわたって変更されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
各チャネルが、複数の公称膜寸法を含み、
１つの公称膜サイズのみの前記窓ＣＤが、チャネル内で変更される、
ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
複数の窓サイズを定める前記複数の公称寸法決定されたｐＭＵＴ要素パターン化マスクレベルと前記単一マスクレベルとを用いて第１ｐＭＵＴアレイを製作する段階を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２０１２年１０月２６日に出願され、出願番号６１／７１８，９５２を有する「第１及び第２高調波モードを有する圧電変換器アレイ（ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ  ＡＲＲＡＹＳ  ＷＩＴＨ  １ｓｔ  ＡＮＤ  ２ｎｄ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＭＯＤＥＳ）」という名称の米国一般特許仮出願に対する優先権を主張するものであり、その内容全体は、あらゆる目的に対して引用によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本出願は、２０１２年１０月９日に出願され、出願番号１３／６４８，２２５を有する「超広帯域幅圧電変換器アレイ（ＵＬＴＲＡ  ＷＩＤＥ  ＢＡＮＤＷＩＤＴＨ  ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣ  ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ  ＡＲＲＡＹＳ）」という名称の米国一般特許出願に関連するものである。
【０００３】
本発明の実施形態は、一般的に超音波変換器に関連し、より具体的には、マイクロ機械加工超音波変換器（ＭＵＴ）アレイに関する。
【背景技術】
【０００４】
超音波変換器デバイスは、典型的には、変換器要素の露出外面と接触状態にある伝播媒体（例えば、空気、水、又は体組織）中に高周波圧力波を発生させるために時変駆動電圧に応答して振動することができる膜を含む。高周波圧力波は、他の媒体中に伝播することができる。その同じ膜は、伝播媒体から反射圧力波を受け入れ、受け入れた圧力波を電気信号に変換することができる。これらの電気信号は、伝播媒体中の密度又は弾性係数の変化に関する情報を取得するために駆動電圧信号と共に処理することができる。
【０００５】
圧電変換器デバイス及び容量変換器デバイスは、撮像分野で有利であることが証明されている。圧電膜を使用する多くの超音波変換器デバイスは、塊状の圧電材料を機械的にダイスカットすることにより、又は圧電セラミック結晶が注入された担体材料を射出成形することによって形成されるが、デバイスは、様々なマイクロ機械加工技術（例えば、材料堆積、リソグラフィパターン化、エッチングによる特徴部形成等）を用いて極めて高い寸法公差で廉価に有利に製作することができる。従って、個々のものがビーム形成アルゴリズムによって駆動される大きい変換器要素アレイを使用することができる。そのようなアレイ構成のデバイスは、圧電ＭＵＴ（ｐＭＵＴ）アレイとして公知である。容量変換器も、容量ＭＵＴ（ｃＭＵＴ）アレイとして同じくマイクロ機械加工することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＭＵＴアレイに関連付けられる１つの問題は、伝達媒体によって作用される実音響圧の関数である帯域幅が限られる可能性があることである。胎児心臓モニタリング及び動脈モニタリングのような超音波変換器用途は、広範囲の周波数にわたるので（例えば、比較的深い撮像性能を与える低い周波数及び浅い撮像性能を与える高い周波数）、ＭＵＴアレイの帯域幅を強化することでパルス長を短くすることにより、軸線方向分解能（すなわち、超音波ビームと平行な方向の分解能）が有利に改善されることになる。
【０００７】
従来のｐＭＵＴアレイに関連付けられる別の問題は、基板の振動を通じた機械結合及びｐＭＵＴアレイ内に見出される近接要素間の音響結合が、変換器要素の間に望ましくないクロストークをもたらす可能性があることである。そのようなｐＭＵＴアレイ内の望ましくない形態のクロストークを低減することにより、超音波変換器用途におけるＳＮ比が有利に改善されることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態において、ＭＵＴアレイの変換器要素集団は、複数の発振モードに向けて構成される。これらの複数のモードは、少なくとも第１及び第２共振モードを含み、更に第３、第４、及びそれ以上のモードを含むことができる。本明細書では、そのような多共振モード又は多高調波モードのＭＵＴアレイを単純に「マルチモード」ＭＵＴアレイと呼ぶ。一部の実施形態において、チャネル内の近接膜間の脱建設的相互作用、又は近接チャネル間のクロストークを軽減又は回避するために、高調波は、膜サイズの寸法決定と異なるサイズの膜を配置することとによって同相にされる。
【０００９】
実施形態において、マルチモードＭＵＴアレイは、超幅広帯域幅を達成するように超音波変換器の送信モードと受信モードの両方に使用される複数の共振モードに関連付けられた帯域幅全体を用いて作動される。そのような実施形態において、膜は、主として２次振動モードに関連付けられた周波数帯域と重なる周波数帯域を有する１次振動モードを誘起するようにサイズが決定されて電気信号によって駆動される。
【００１０】
実施形態において、マルチモードＭＵＴアレイは、超音波変換器の送信モードと受信モードの間で割り当てられた複数の共振モードに関連付けられた帯域幅を用いて作動される。１つのそのような実施形態において、送信帯域として適する１次振動モードが駆動信号によって誘起され、受信帯域として適する２次振動モードに関連付けられた周波数が信号受信機によってフィルタリングされる。例えば、膜サイズの適正な調整により、組織高調波撮像（ＴＨＩ）の技術は、低周波振動の第１帯域と高周波振動の第２帯域とを用いて低帯域幅変換器に典型的な利得制限を受けることなく実施することができる。
【００１１】
実施形態において、マルチモードＭＵＴアレイは、超音波変換器の異なるチャネルにわたって割り当てられた複数の共振モードに関連付けられた帯域幅を用いて作動される。高いサンプリング速度を達成するために、１つ又はそれよりも多くの振動モードに関連付けられた第１周波数帯域は、変換器の第１チャネル内で駆動され、一方、１つ又はそれよりも多くの他のモードに関連付けられた第２周波数帯域は、第２チャネル内で駆動される。ある一定のそのような実施形態において、超音波変換器は、複数のフォーカスゾーンを同時に用いて作動可能であり、その作動中に、低周波（第１モード）チャネルは、高周波（第２モード）チャネルよりも深い焦点距離の場所にフォーカスされる。
【００１２】
実施形態において、膜サイズの寸法決定と異なるサイズの膜を基板の上に空間的に配置することとは、少なくとも部分的に１つ又はそれよりも多くの感度解析によって達成される。高調波位相整合は、多くのファクタに依存する複合的な機能であるので、この課題は、ＭＵＴアレイの周波数応答をモデル化された公称寸法から最適化することによって少なくとも部分的に対処される。ある一定の有利な圧電実施形態において、感度解析は、電極と変換器膜の圧電材料の間の接触面積を定める単一マスクレベルで実施される。ある一定のそのような実施形態において、単一ｐＭＵＴアレイは、アレイの異なるチャネルにわたって感度解析が実施されて製作される。次に、チャネル応答が測定され、公称値と比較され、各膜サイズ分類に対して最適なサイズが推定される。その後に、アレイに使用される各異なる膜サイズに対する最適マスク寸法に基づいて、最終マスクセットが定められる。
【００１３】
本発明の実施形態は、限定ではなく一例として示すものであり、以下に続く詳細説明を図に関連付けて考察することでより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】実施形態により円形変換器要素を有するマルチモードＭＵＴアレイの平面図である。
【図１Ｂ】実施形態により円形変換器要素を有するマルチモードＭＵＴアレイの平面図である。
【図１Ｃ】マルチモードＭＵＴアレイの実施形態により変換器膜サイズの１次元空間配置を描写するグラフである。
【図１Ｄ】実施形態により楕円形変換器要素を用いたマルチモードＭＵＴアレイの平面図である。
【図２Ａ】実施形態により図１Ａ、図１Ｂ、及び図１ＤのマルチモードＭＵＴアレイ内で利用される圧電変換器要素の断面図である。
【図２Ｂ】実施形態により図１Ａ、図１Ｂ、及び図１ＤのマルチモードＭＵＴアレイ内で利用される圧電変換器要素の断面図である。
【図２Ｃ】実施形態により図１Ａ、図１Ｂ、及び図１ＤのマルチモードＭＵＴアレイ内で利用される圧電変換器要素の断面図である。
【図３Ａ】実施形態により第１発振モードを受ける変換器要素の概略断面図である。
【図３Ｂ】実施形態により第２発振モードを受ける変換器要素の概略断面図である。
【図４Ａ】実施形態により図３Ａ及び図３Ｂに描く第１及び第２発振モードに関連付けられた第１及び第２共振周波数帯域を示す周波数応答グラフである。
【図４Ｂ】実施形態により図３Ａ及び図３Ｂに描く第１及び第２発振モードに関連付けられた第１及び第２共振周波数帯域を示す周波数応答グラフである。
【図５】本発明の実施形態によりマルチモードＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置の機能ブロック図である。
【図６】実施形態によりマルチモードＭＵＴアレイの作動モードを描写する流れ図である。
【図７Ａ】実施形態によりＭＵＴアレイの第１及び第２振動モードに対応する２つの帯域を示すモデル化した周波数応答の図である。
【図７Ｂ】第１及び第２振動モード間の脱建設的位相整合を被るＭＵＴアレイに対してモデル化した周波数応答の図である。
【図８Ａ】実施形態により超音波変換器の別々の送信及び受信モードに適するｐＭＵＴアレイの第１及び第２振動モードに対応する２つの帯域を示すモデル化した周波数応答の図である。
【図８Ｂ】応答感度に対する組織高調波撮像（ＴＨＩ）のためのマルチモードＭＵＴアレイ帯域幅の割り当て効果を示す図である。
【図８Ｃ】応答感度に対する組織高調波撮像（ＴＨＩ）のためのマルチモードＭＵＴアレイ帯域幅の割り当て効果を示す図である。
【図９Ａ】実施形態によりＭＵＴアレイの第１及び第２振動モードに対応する２つの帯域を示すモデル化した周波数応答の図である。
【図９Ｂ】従来のマルチゾーンフォーカス技術を示す図である。
【図９Ｃ】マルチチャネル実施形態によりマルチゾーンフォーカス技術を示す図である。
【図１０】実施形態により異なる膜サイズを有する膜の集団の周波数応答を最適化する方法を示す流れ図である。
【図１１】実施形態により様々な窓サイズ及び対応する応答曲線を有するＰＭＵＴアレイの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に続く説明では、多くの詳細内容を示すが、当業者は、これらの特定の詳細内容なしに本発明を実施することができることは理解されるであろう。一部の事例では、本発明を不明瞭にすることを避けるために公知の方法及びデバイスを詳細にではなくブロック図形態に示している。本明細書にわたる「実施形態」への参照は、その実施形態に関して説明する特定の特徴、構造、機能、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態の中に含まれることを意味する。従って、本明細書にわたる様々な箇所における「実施形態では」という語句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を参照しているとは限らない。更に、特定の特徴、構造、機能、又は特性は、あらゆる適切な方式で１つ又はそれよりも多くの実施形態の中に組み合わせることができる。例えば、第１の実施形態と第２の実施形態が互いに排他的であることを具体的に示していない限り、第１の実施形態を第２の実施形態と組み合わせることができる。
【００１６】
本明細書では、構成要素間の機能的又は構造的な関係を説明するのに「結合」という表現を使用する。「結合」は、２つ又はそれよりも多くの要素が互いに直接又は間接（これらの要素間の他の介在要素を用いて又は媒体を通して）のいずれかの機械的、音響的、又は電気的な接触状態にあること、及び／又は２つ又はそれよりも多くの要素が互いに協働又は相互作用すること（例えば、因果関係の場合のように）を示す上で使用することができる。
【００１７】
本明細書に使用する「にわたって」、「の下に」、「の間に」、及び「上に」という表現は、組立ての関連又はマイクロ機械加工スタックの材料層の関連で１つの構成要素又は材料層の他の構成要素又は層に対する相対位置に注目する場合にそのような物理的関係を意味する。別の層（構成要素）にわたって又はその下に配置された１つの層（構成要素）は、他の層（構成要素）と直接接触状態にある場合があり、又は１つ又はそれよりも多くの中間層（構成要素）を有することができる。更に、２つの層（構成要素）の間に配置された１つの層（構成要素）は、２つの層（構成要素）と直接接触状態にある場合があり、又は１つ又はそれよりも多くの中間層（構成要素）を有することができる。それとは対照的に、第２の層（構成要素）「上」の第１の層（構成要素）は、この第２の層（構成要素）と直接接触状態にある。
【００１８】
単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、状況が別途指定しない限り複数形も含むように意図している。本明細書に使用する「及び／又は」という表現は、関連付けられた列記品目のうちの１つ又はそれよりも多くのいずれか又は全ての可能な組合せを意味し、かつそれらを包含することも理解されるであろう。
【００１９】
実施形態において、ＭＵＴアレイの圧電変換器要素集団は、複数の発振モードに向けて構成される。各モードは、与えられた膜幾何学形状に関するベッセル関数の解に対応し、少なくとも第１及び第２共振モードを含み、更に変換器膜の第３、第４、及びそれ以上の共振モードを含む場合がある。異なるモードで発振する変換器要素間の結合（例えば、伝達媒体及び／又は基板への機械接続などを通じたもの）は、一般的に位相がずれた高調波モードの結果である破壊的相互作用をもたらす可能性があるので、１つよりも多い共振モードは課題を呈する。本明細書の実施形態において、複数の発振モードが存在する場合に、特定のチャネルの膜の寸法決定と空間配置の両方は、チャネル内の膜の間のそのような破壊的相互作用、又は近接チャネル間のクロストークを軽減するように行われる。
【００２０】
図１Ａ及び図１Ｂは、円形変換器要素を有するマルチモードＭＵＴアレイの平面図である。図１Ａは、実施形態によりＭＵＴアレイ１０１の平面図である。アレイ１０１は、基板１０１の第１寸法ｘと第２寸法ｙによって定められた区域にわたって配置された複数の電極レール１１０、１２０、１３０、１４０を含む。駆動／感知電極レール（例えば、１１０）の各々は、あらゆる他の駆動／感知電極レール（例えば、１２０又は１３０）とは独立して電気的にアドレス可能であり、アレイ１０１の機能的に別々のチャネルである。各チャネルは、チャネル内の個々の変換器要素からの応答の複合体である独特の周波数応答を有する。各要素には、各チャネルにおける駆動／感知電極が電気的に並列接続される。例えば、図１では、変換器要素１１１Ａ、１１２Ａ、１１３Ａ等は、駆動／感知電極レール１１０によって電気的に駆動されるように互いに結合される。同様に、全ての変換器要素（例えば、１２１Ａ）は、駆動／感知電極レール１２０に全て互いに並列結合される。一般的に、あらゆる個数の変換器要素は、膜直径、要素ピッチ、及び各チャネルに割り当てられた基板面積の関数としてチャネル内に互いにまとめることができる。例えば、図１Ｂの実施形態において、各チャネルは、第１の（ｙ）寸法内に３つの隣接要素（例えば、要素１１１Ａ1、１１１Ａ2、及び１１１Ａ3）を含む。この第１寸法の範囲では、全ての要素は、同じ膜サイズ（すなわち、同じ直径）を有する。
【００２１】
実施形態において、少なくとも１つの膜寸法は、装置の同じチャネルの複数の要素にわたって変化する。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、円形膜の直径は、各チャネルがある範囲の膜サイズを含むように、基板の少なくとも１つの寸法（例えば、ｙ寸法）に沿って変化する。描写する実施形態において、各チャネルは、特定のサイズを有する膜を同じ個数だけ含み、異なるサイズを同じ個数だけ含む。共振周波数は膜サイズの関数であるので（高い周波数は小さい膜サイズに関連付けられる）、与えられた電気作動信号がチャネルに印加されると、特定の周波数応答が誘起され、又は与えられた周波数応答が媒体を通して戻されると、この周波数応答は、特定の電気感知信号を発生させる。各チャネルが同じ要素集団（同じ個数及びサイズ分布）及び同じ空間レイアウトを有する図１Ａ及び図１Ｂに描写する実施形態において、各チャネルは、殆ど同じ周波数応答を有することを予想することができる。これに代えて、異なる要素集団（すなわち、異なる個数の膜サイズ、特定サイズを有する異なる個数の膜、基板の上に異なる空間配置）を有するチャネルは、有意に異なる周波数応答を有することを予想することができる。
【００２２】
実施形態において、与えられたチャネル内で異なるサイズを有する膜は、膜の間の破壊的相互作用を回避するように空間配置される。１つ又はそれよりも多くの基板寸法にわたって連続的、平滑的、及び／又は区分的な方式で変化する膜サイズは、有意に異なるサイズを有する膜の間の位相不整合に起因する破壊的相互作用を有利に低減することが見出されている。一部の実施形態において、与えられた距離にわたる膜サイズの変化が特定の閾値を超えないように（例えば、最も近い隣接要素の間の円形膜直径において１０％よりも小さく、有利には５％よりも小さく、最も有利には２％よりも小さい変化）、隣接する要素が類似のサイズの膜を有することで、要素集団にわたって共振位相が維持される。この手法は、破壊的相互作用を回避するために、全ての要素が、十分に近い共振周波数（従って、位相スペクトル）を有する共振器で囲まれることを確実にする。膜サイズの過度に激しい変化は、隣接する膜の間に、チャネルの周波数応答におけるノッチを誘起する位相関係をもたらす可能性がある。例えば、侵害／攻撃する膜の作用は、犠牲になる膜（例えば、攻撃する膜の直ぐ隣、又は他に直近にある）の上で伝達媒体を局所的に押圧するか又は堆積させる場合があり、犠牲になる膜の位相に関して不適切な時点で第２の膜の有効膜質量を増加させ、それによって犠牲になる要素の性能を減衰させるか又は遅延させる。そのような音響の減衰（又は伝達媒体の減衰）が重度である場合に、複数の発振モードを誘起する作動条件下で望ましくないゼロ交差が発生する可能性がある。
【００２３】
図１Ａに描くように、第１サイズの変換器要素１１１Ａ（例えば、最も小さい直径の膜）は、第２サイズの要素１１２Ａ（例えば、次に大きい直径の膜）に隣接し、膜サイズは、絶えず増大する膜サイズを有する第１の要素（例えば、７１４Ａ、７１５Ａ、７１６Ａ）列を通して段階的な方式で徐々に増大し、次に、段階的に減少するサイズを有する第２のシリーズは、最も小さい直径まで戻る。図１Ｂに示すように、膜の直径は、同じく区分的にＤ1からＤ2、Ｄ3、Ｄ4、更にＤ5と増大し、次に、半径Ｄ5を有する第２の膜からＤ4を有する第２のものに減少し、以降同じく区分的に減少してＤ1を有する第２の膜に戻る。順次、直径Ｄ1〜Ｄ5及びＤ5〜Ｄ1で広がる膜のセットは、チャネルのｘ寸法の長さにわたって続けられる反復単位（ＲＵ）を形成する。図１Ａ及び図１Ｂに描く空間配置の両方は、チャネル集団における各要素が、同じサイズを有する別の要素に隣接するか又はいずれかの個数の異なる膜サイズ（例えば、３つ、４つ、又は図１Ｂに描く５つの異なるサイズ等）において次に大きいか又は次に小さいサイズを有する別の要素に隣接することを確実にする。しかし、最大寸法の膜（７１６Ａ）を１つだけのみを有する図１Ａの実施形態とは異なり、図１ＢのＲＵ内の全ての膜サイズの空間密度は、あらゆるサイズ又は「タイプ」の２つの膜と有利に等しい。
【００２４】
図示の実施形態において、アレイのチャネル内の変換器要素膜サイズは、基板の少なくとも１つの寸法の循環関数である。図１Ｃは、マルチモードＭＵＴアレイの実施形態により循環関数に従う変換器膜サイズの一般化した１次元空間配置を描写するグラフである。循環的なサイズ変化の頻度は、ＭＵＴの機械的特性、並びに伝達媒体に独特の位相整合による制限を受け、従って、実施によって異なる可能性がある。ある一定の実施形態において、膜の最大及び最小のサイズに関する循環関数の振幅は、ＲＵ内の最大サイズの膜と最小サイズの膜の間の差が、あらゆる２つの隣接膜の間のサイズの差よりも大きくなるように十分に大きい。一例として、最大膜サイズと最小膜サイズの間の範囲は、少なくとも２つの発振モードが、１つ又はそれよりも多くの与えられた電気作動信号によってＲＵ内に誘起されることを確実にするように選択することができ、一方、隣接膜の間のサイズの増分は、全ての変換器要素が応答曲線に寄与して３ｄＢ帯域幅を維持することを確実にするように選択することができる。この場合に、対応する最小及び最大の膜サイズは、チャネル内に誘起される１次高調波と２次高調波の少なくとも両方（更に潜在的に、程度の弱い３次及び高次高調波）を有することになる。一例として、図２Ａ〜図２Ｃの状況で説明する一般的な構造を有する変換器からのＭＨｚ周波数応答では、２０〜１５０μｍの範囲が一般的な膜寸法になり、一般的に１〜１０μｍの増分が十分な応答重ね合わせを与えることになる。従って、図１Ｂに図示の実施形態において、５つの膜サイズは、１０μｍの増分で１００μｍと１４０μｍの間を一巡する直径に対応することができる。
【００２５】
図１Ｂは、基板の第２寸法（例えば、膜１１１Ａ1、１１１Ａ2、及び１１１Ａ3が全て同じ直径のものであるｙ寸法）内に配列された１つのサイズを有する複数の膜を更に例示している。図１Ｂでは各膜サイズの空間密度が高いので、図１Ｂに描写する実施形態は、図１Ａに描写する実施形態よりも高い占有率を有利に与え、それに伴って高い利得を与える。更に、図１Ｂに示すように、同じサイズの膜の間で、サイズに関係なく同じ最小空隙Ｓminが維持される。チャネル内の膜の中心行、例えば、膜１１１Ａ2は、その中心をチャネル軸Ｌ上に位置合わせし、隣接膜行の中心は、チャネル軸Ｌから直径１つに最小空隙Ｓminを１つ加えた場所にある。
【００２６】
マルチモードアレイアーキテクチャは、円形／球形以外の形状の膜を用いて実施することができる。例えば、図１Ｄは、実施形態により楕円形変換器要素を用いたマルチモードＭＵＴアレイの平面図である。一般的に、楕円体膜は、より高い発振モードに半主軸Ｂ、Ｃ間の格差の関数としてより容易に駆動される。円形又は球形の膜に対する全ての回転角からの回転対称性を２重対称性（１８０°）まで下げることにより、モード形状は、分離した共振周波数を有するより明確に異なるモードに容易に分割することができる。従って、異なる半主軸を有する圧電膜は、チャネル内の変換器要素の周波数応答を整形するための追加の自由度を与える。更に別の実施形態において、少なくとも第１及び第２の半主軸は、複数の別々の共振周波数（モード）を与えるほど十分に異なる長さのものである。
【００２７】
この例示的実施形態において、楕円体膜の空間配置は、円形膜の状況で記述されたものと同じ発見的過程を辿るが、図１Ｄにプロットした例示的な楕円形実施形態において、膜寸法は、チャネル集団内でｘ寸法とｙ寸法の両方に変化する。図示のように、チャネル内で第１の半軸の長さ（例えば、Ｂ）だけが、基板の第１寸法にわたって変更され、それに対して第２の半軸の長さ（例えば、Ｃ）だけが、基板の第２寸法にわたって変更される。図１Ｄに更に示すように、あらゆる２つの隣接膜の間のサイズの差よりも大きいＲＵ内である範囲のサイズを得るために、各軸は、アレイ寸法のうちの１つにわたって区分的に増大する（及び／又は減少する）。図示のように、Ｂ軸は、アレイの１つの寸法（例えば、基板１０１０のｙ軸）に沿って要素１０１０ＡＡ、１０１０ＡＥ、１０１０ＪＡそれぞれと共にＢ1からＢ5に至るまで増分し、次に、Ｂ1まで減少して戻る。１０１０ＡＢ〜１０１０ＪＢを含む列又は行、及び１０１０ＡＣ〜１０１０ＪＣを含む列又は行は、１０１０ＡＡ〜１０１０ＪＡ列／行におけるものと同じＢ軸増分を有する。Ｃ軸の方は、アレイの第２寸法に沿う（例えば、基板１０１のｘ軸に沿う）各要素と共に増分し、従って、１０１０ＡＡ〜１０１０ＪＡを含む行の全ての要素がＣ1に等しい軸を有するように寸法が決定される。同様に、１０１０ＡＢ〜１０１０ＪＢを含む行の全ての要素は、Ｃ2に等しい軸を有するように寸法決めされ、１０１０ＡＣ〜１０１０ＪＣを含む行の全ての要素は、Ｃ3に等しい軸を有するように寸法決めされる。
【００２８】
実施形態において、二重モードＭＵＴアレイの各変換器要素は圧電膜を含む。圧電膜は、第３の（ｚ）寸法において曲率を有してドームを形成するか（図２Ａで更に示すように）又は凹みを形成する（図２Ｂで更に示すように）球形とすることができる。図２Ｃに更に示すように、平面膜も可能である。図２Ａ〜図２Ｃの関連において、個々の変換器要素の例示的なマイクロ機械加工（すなわち、マイクロ電気機械）態様を簡単に説明する。図２Ａ〜図２Ｃに描く構造は、主として本発明の特定の態様に関する状況として、変換器要素構造に関して本発明の広範囲にわたる適用可能性を更に例示するために含めたものであることを理解しなければならない。
【００２９】
図２Ａでは、凸変換器要素２０２は、作動中にｐＭＵＴアレイ１００の振動外面の一部分を形成する上面２０４を含む。更に、変換器要素２０２は、基板１０１の上面に取り付けられた底面２０６を含む。変換器要素２０２は、基準電極２１２と駆動／感知電極２１４の間に配置された凸又はドーム形の圧電膜２１０を含む。一実施形態において、圧電膜２１０は、例えば、平面である上面の上に形成されたドームを有する特徴部転写基板（例えば、フォトレジスト）上に圧電材料粒子を均一な層で堆積させる（例えば、スパッタリングする）ことによって形成することができる。例示的な圧電材料はＬｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ（チタン酸ジルコン酸鉛）（ＰＺＴ）であるが、従来のマイクロ機械加工処理に適応する二フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー粒子、ＢａＴｉＯ3、単結晶ＰＭＮ−ＰＴ、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等であるがこれらに限定されない当業技術で公知のいずれかを利用することができる。駆動／感知電極及び基準電極２１４、２１２の各々は、特徴部−特徴部転写基板上に堆積された（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ等により）導電材料の薄膜層とすることができる。駆動電極層における導電材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒなどのうちの１つ又はそれよりも多く、これらの合金（例えば、ＡｕＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｕＴｉＷ、ＡｕＮｉ等）、これらの酸化物（例えば、Ｉｒ０2、Ｎｉ０2、Ｐｔ０2等）、又は２つ又はそれよりも多くのそのような材料の複合スタック等であるが、これらに限定されず、上述したような機能のための当業技術で公知のいずれかのものとすることができる。
【００３０】
図２Ａに更に示すように、一部の実施では、変換器要素２０２は、製作中に支持体及び／又はエッチング停止体として機能する二酸化珪素のような薄膜層２２２を任意的に含むことができる。誘電体膜２２４は、基準電極２１２から駆動／感知電極２１４を絶縁するように更に機能することができる。垂直に向けられた電気相互接続部２２６は、駆動／感知電極２１４を駆動／感知電極レール１１０を通して駆動／感知回路に接続する。類似の相互接続部２３２は、基準電極２１２を基準レール２３４に接続する。変換器要素２０２の中心を定める対称軸を有する孔２４１を有する環状支持体２３６は、圧電膜２１０を基板１０１に機械的に結合する。支持体２３６は、二酸化珪素、多結晶シリコン、多結晶ゲルマニウム、ＳｉＧｅなど等であるが、これらに限定されないいずれかの従来の材料のものとすることができる。支持体２３６の例示的な厚みは１０〜５０μｍまでの範囲にわたり、膜２２４の例示的な厚みは２〜２０μｍまでの範囲にわたる。
【００３１】
図２Ｂは、変換器要素２０２内のものと機能的に類似の構造を類似の参照番号に示した変換器要素２４２に対する別の例示的構成を示している。変換器要素２４２は、静止状態で凹である凹圧電膜２５０を示している。この場合に、駆動／感知電極２１４は、凹圧電膜２５０の底面の下に配置され、それに対して基準電極２１２は、上面の上方に配置される。上部保護不動態化層２６３も示している。
【００３２】
図２Ｃは、変換器要素２０２内のものと機能的に類似の構造を類似の参照番号に示す変換器要素２８２に対する別の例示的構成を示している。変換器要素２８２は、静止状態で平面であり、要素２０２、２４２とは異なり、屈曲モードで作動し、従って、膜２７５（一般的にシリコンのもの）を更に使用する平面圧電膜２９０を示している。この場合に、駆動／感知電極２１４は、平面圧電膜２９０の底面の下に配置され、それに対して基準電極２１２は、上面の上方に配置される。図２Ａ〜図２Ｃの各々に描くものと反対の電極構成も可能である。
【００３３】
図３Ａ及び図３Ｂは、実施形態により第１及び第２発振モードを受ける変換器要素の概略断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、実施形態により図３Ａ及び図３Ｂに描く第１及び第２発振モードに関連付けられた第１及び第２共振周波数帯域を示す周波数応答グラフである。作動中に、アレイ内の膜は、独特の第１共振周波数を有する第１振動モード又は発振モードに誘起される。同じく作動中に、アレイ内の膜は、第１共振周波数のものよりも大きい第２共振周波数に関連付けられた第２振動モードに誘起される。第１周波数帯域と第２周波数帯域の両方は、次に、異なる膜サイズの与えられた集団に関連付けられる。図３Ａは、支持体２３６によって支持され、駆動／感知電極３１２によって駆動され、駆動／感知電極対３１２が時変電圧駆動信号を感受するときに第１振動モードを与える膜３５０（静止状態で平面、ドーム形、又は空洞を有する圧電材料とすることができる）の断面図をプロットしている。図３Ｂでは、膜は、駆動信号の結果として第２共振で発振する。第２振動モードは、基本振動モード又は第１振動モードよりも高い周波数（例えば、２×）のものであるので、より高いモードにおいてより高い周波数レジームを得ることができる。異なるサイズの円形（又は楕円形）膜が様々なモードで振動する本明細書で説明する実施形態（例えば、図１Ａ〜図１Ｄ）では、周波数応答において２つの広帯域を形成することができる（例えば、第１帯域、及び第１帯域の周波数の約２倍の第２帯域）。ｐＭＵＴ要素の圧電励振が角度θにほぼ依存しないことを考えると、有利なモード形は、（０，１）モード、（０，２）モード、（０，３）モードであり、これらの場合にノード直径数は０である。
【００３４】
図４Ａ及び図４Ｂは、実施形態による図３Ａ及び図３ＢのＭＵＴに対する性能測定値のプロット図である。図４Ａを参照すると、一実施形態において、駆動信号発生器は、第１電気信号を駆動して、第２共振モード（ｆn2）よりも大きく膜３５０の第１共振モード（ｆn1）を励振することになる。図４Ｂでは、駆動信号発生器は、第１共振モード（ｆn1）よりも大きく膜３５０の第２共振モード（ｆn2）を誘起又は励起する。第１モード又は高モードのいずれかにおける作動は、少なくとも駆動信号のパルス幅及び／又はパルス形状により、更に、膜サイズ及び膜形状（例えば、円形対楕円）によって決定することができる。
【００３５】
図５は、本発明の実施形態によりマルチモードＭＵＴアレイを使用する超音波変換器装置５００の機能ブロック図である。例示的実施形態において、超音波変換器装置５００は、水、組織体のような媒体中に圧力波を発生させ、媒体中の圧力波を感知するためのものである。超音波変換器装置５００は、医療診断、製品欠陥検出等において、１つ又は複数の媒体中の内部構造変化の撮像を目的とする多くの用途を有する。装置５００は、説明する変換器要素及要素集団の属性のうちのいずれかのものを有する本明細書で説明するマルチモードＭＵＴアレイ要素設計のうちのいずれかのものを有することができる少なくとも１つのマルチモードＭＵＴアレイ５１６を含む。例示的実施形態において、ＭＵＴアレイ５１６は、その外面の対面方向及び場所を必要に応じて変更する（例えば、撮像される区域に対面させる）ように機械又は装置５００のユーザが操作することができるハンドル部分５１４に含まれたＭＵＴである。ＭＵＴアレイ５１６のチャネルをハンドル部分５１４の外部にある通信インタフェースに電気コネクタ５２０が電気的に接続する。
【００３６】
実施形態において、装置５００は、例えば、電気コネクタ５２０を用いてＭＵＴアレイ５１６に結合された当業技術で公知のいずれかのものとすることができる信号発生手段を含む。信号発生手段は、アレイ５１６内の各チャネルの駆動／感知電極に電気作動信号を供給することになる。１つの特定の実施形態において、信号発生手段は、圧電変換器要素集団に１ＭＨｚと４０ＭＨｚの間の周波数で共振させる電気作動信号を印加することになる。一部の実施形態において、信号発生手段は、制御信号を直並列変換するためのデシリアライザ５０４を含み、変換された信号は、次に、デマルチプレクサ５０６によって逆多重化される。例示的な信号発生手段は、デジタル制御信号をＭＵＴアレイ５１６内の個々の変換器要素チャネルに対する駆動電圧信号に変換するデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）５０８を更に含む。ビームステアリングを行い、望ましいビーム形状、フォーカス、及び方向などを生成するために、プログラム可能時間遅延コントローラ５１０により、個々の駆動電圧信号にそれぞれの時間遅延を追加することができる。ｐＭＵＴチャネルコネクタ５２０と信号発生手段の間には、ＭＵＴアレイ５１６を駆動モードと感知モードの間で切り換えるためのスイッチ網５１２が結合される。
【００３７】
実施形態において、装置５００は、例えば、電気コネクタ５２０を通してＭＵＴアレイ５１６に結合された当業技術で公知のいずれかのものとすることができる信号収集手段を含む。信号収集手段は、ＭＵＴアレイ５１６内の駆動／感知電極チャネルからの電気感知信号を収集してフィルタリングすることになる。信号収集手段の一例示的実施形態において、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）５１４は、アレイ５１６内のチャネルからの電圧信号の受信機であり、これらの電圧信号は、デジタル信号に変換される。次に、デジタル信号は、メモリ（プロットしていない）に格納するか又は信号処理手段に直接渡すことができる。例示的な信号処理手段は、デジタル信号を圧縮するためのデータ圧縮ユニット５２６を含む。受信信号をメモリ、他のストレージ、又は受信信号に基づいてグラフィック表示を発生させることになる画像処理プロセッサのような下流のプロセッサに伝達する前に、マルチプレクサ５２８及びシリアライザ５０２が受信信号を更に処理することができる（例えば、周波数に基づくフィルタリング等）。
【００３８】
図６は、実施形態によりマルチモードＭＵＴアレイを作動させる方式を更に描写する流れ図である。一般的に、方法６００では、マルチモードＭＵＴアレイ６０１は、３つの役割のうちの少なくとも１つで作動される。第１のものでは、マルチモードＭＵＴアレイ６０１は、作動６０５において、１次及び高次モードを同時に誘起し、超幅広の多共振周波数帯域幅を得るように駆動される。次に、作動６１０において、マルチモードＭＵＴアレイ６０１は、更にこの帯域幅を通して感知を行うために使用される。図７Ａ〜図７Ｂは、この第１の作動方式を記載している。第２の作動法では、マルチモードＭＵＴアレイ６０１は、作動６２０において、送信に向けて多共振周波数帯域幅の第１の成分を誘起し、一方、作動６２５において、帯域幅の第２の成分が感知されるように駆動される。図８Ａ〜図８Ｃは、この第２の作動方式を詳しく記載している。第３の方法では、マルチモードＭＵＴアレイ６０１の異なるチャネルは、作動６３０、６３３において、多共振周波数帯域幅の異なる成分（すなわち、第１及び第２共振周波数帯域）を誘起し、作動６３６及び６３９において、異なるチャネルを用いて多共振周波数帯域幅の異なる成分を感知するように駆動される。この多信号モード又はマルチチャネルモードに対して、図９Ａ〜図９Ｃの状況で詳しく説明する。
【００３９】
超幅広帯域幅実施形態において、少なくとも第１共振モードと第２共振モードは重なる。第３及びそれ以上のモードが存在する場合に、これらのモードは、次に、高い次数及び次に低い次数の帯域と重なる可能性がある。２つの共振モードという最も簡単な場合に、図７Ａの位相線図及び利得線図に描くように、１次モードに関連付けられた第１共振周波数帯域の最も高い共振周波数は、２次モードに関連付けられた第２共振周波数帯域の最も低い共振周波数よりも高い。これらの超幅広帯域幅実施形態において、膜集団は、例えば、図１Ａ〜図１Ｄの状況で上述したように膜サイズとレイアウトとを制御することによって設計される。破壊的位相整合を回避するか又は少なくとも軽減する手法において、膜の有効質量、有効剛性を制御することができる。
【００４０】
この場合に、第１モードの最も高い共振周波数（最も小さい膜要素に関する）と第２モードの最も低い共振周波数（最も大きい膜要素に関する）との間の重ね合わせは、両方のスペクトル帯域を融合し、アレイの帯域幅を少なくとも１２０％の−６ｄＢ比帯域幅（すなわち、−６ｄｂ帯域幅／中心周波数）まで拡張することができる。位相変化に起因して重なる共振周波数における課題を第１振動モードと第２振動モードの間である程度の脱建設的位相整合を被るＭＵＴアレイに対してモデル化した周波数応答である図７Ｂによって例示する。例えば、固定された均一サイズの膜では、位相は、第１振動モードと第２振動モードの間でゼロと交差し、周波数帯域内に図７Ｂのノッチ７２０程度の少なくとも目立つノッチをもたらす。しかし、共振モード周波数帯域は、例えば、図１Ｂに描く段階的な要素サイズ変化を使用することによって完全に融合することができる。このようにして、同じチャネル内の異なるサイズの膜集団に印加された駆動信号は、１つ又はそれよりも多くの膜内に第１発振モードを誘起することができ、それと共に１つ又はそれよりも多くの他の膜内に第２発振モードを誘起することができる。同様に、超幅広帯域幅圧力変換器の感知サイクルにおいて同じ帯域幅を利用することができる。
【００４１】
次に、図８Ａを参照すると、マルチモードＭＵＴを作動させる第２の方式では、送信（Ｔｘ）において、主として第１発振モードに関連付けられた第１周波数帯域を拠り所とすることができ、感知において、主として第２発振モードに関連付けられた第２周波数帯域を拠り所とすることができる。図８Ａに示すモードで作動するために、マルチモードＭＵＴアレイに電気結合された駆動回路は、与えられたチャネルの変換器要素の少なくとも一部を少なくとも第１周波数帯域（例えば、狭帯域）を誘起する第１電気信号で駆動する信号発生器を含む。例えば、パルス幅及びパルス形状は、多共振周波数帯域の一部分しか導かないように、超幅広帯域幅実施形態に使用されるものから偏位させることができる。その一方、感知回路は、適切な帯域通過フィルタを用いて抽出することができる第２周波数帯域からの成分を含む第２電気信号を変換器要素の少なくとも一部のものから受信するために、マルチモードＭＵＴアレイに結合された信号受信機を含む。取りわけ、この役割で作動する場合に、共振周波数帯域は重ねても、そうでなくてもよい。帯域が確実に重なる場合に、例えば、膜の寸法及びレイアウトが図１Ｂの例に従い、かつ超幅広帯域幅作動にも適する場合に、Ｔｘ帯域及びＲｘ帯域が１つだけの共振モードとならないように、一部の膜は、送信周波数帯域内の第２モードで発振することができ、一部の膜は、受信周波数帯域内の第１モードで発振することができる。
【００４２】
図８Ａに示す第２作動モードは、組織高調波撮像（ＴＨＩ）技術に非常に適しており、この場合に、低帯域幅変換器において一般的な利得制限に悩まされることなく、低周波振動の第１帯域及び高周波振動の第２帯域が使用される。一般的に、軟質組織内への信号の侵入は、送信周波数が低下すると共に増大するが、画像分解能においてそれに関連付けられた低下が存在する。超音波がターゲット媒体を通して伝播するときに、音響波の非線形歪曲に起因して、送信信号の形状及び周波数に変化が発生する。高調波は媒体中で発生し、深さと共に強まる。高調波周波数は、曲譜の上音とほぼ同じく送信周波数の高い整数倍数である。現在のＴＨＩ技術は、撮像において第２高調波（送信周波数の２倍）しか用いない。例えば、最大侵入を与えることができる３．０ＭＨｚの送信周波数は、６．０ＭＨｚの高調波周波数を戻すことになる。戻って来る高周波数信号は、プローブに１つの方向にしか進まない。高周波数撮像及び一方向進行効果の利点は、弱い反響、ビーム収差、及び側帯波、並びに高い分解能及び包嚢の鮮明化を含む。
【００４３】
図８Ｂに示すように、変換器は、１つの周波数で効率的な送信機であり、それと共に第２高調波において効率的な受信機でなければならないので、変換器帯域幅は、ＴＨＩにおける制限ファクタである可能性がある。変換器帯域幅（例えば、約７０％〜８０％の−６ｄＢ比帯域幅）が高調波撮像に対して準最適である場合に、送信中心周波数は、一般的に中心周波数の２／３に設定され、一方、高調波受信周波数は、中心周波数の４／３に設定される。図８Ｂの破線で更に示すように、チャネルの要素の間の脱建設的相互作用は、帯域幅を制限することができ、それによって利得（感度）が低下する。しかし、図８Ｃに示すように、チャネルの第１共振モードと第２共振モードの両方を含み、基本（ｆ0）周波数と２ｆ0周波数とをカバーする多共振モードＭＵＴが有するより大きい帯域幅は、必然的に非常に効率的なＴＨＩ送信機及び受信機それぞれを可能にする。従って、ＴＨＩは、様々な膜サイズの組合せを有するマルチモードＭＵＴアレイ（例えば、図１Ｂに描くような）を用いて有利に実施することができる。
【００４４】
実施形態において、マルチモードＭＵＴアレイは、第３の方式において、複数共振モードに関連付けられた帯域幅を超音波変換器の異なるチャネルにわたって割り当てることにより、この帯域幅を更に利用するように作動される。変換器の第１チャネル内では、主として基本発振に関する低周波数帯域のような第１周波数帯域が使用され、それに対して第２チャネル内では、高サンプリング速度を得るために、主として２次又は３次高調波に関する高周波数帯域のような第２周波数帯域が使用される。マルチモードＭＵＴアレイの全てのチャネルが実質的に等しく、各チャネルが、図１Ｂで例証した発見的過程を辿って基板の上に空間的に分布された異なる膜サイズを有する複数の要素を含む実施形態において、第１のパルスの形状及び／又は幅（例えば、長い）を有する第１電気信号は、第１チャネル内の膜のうちの１つ又はそれよりも多くのものに対して基本発振を誘起することができ、それに対して第２のパルスの形状及び／又は幅（例えば、短い）を有する第２電気信号は、第２チャネル内の膜のうちの１つ又はそれよりも多くのものに対して高次の発振を誘起することができる。低周波数帯域及び高周波数帯域に関連付けられた基本発振及び高次の発振の場合に、図９Ａに描くモデル化したスペクトルが与えられる。感知モード中に、第１及び第２チャネル信号は、適切に異なる帯域通過によってフィルタリングされ、第１チャネルから低周波数帯域が抽出され、第２チャネルから高周波数帯域が抽出される。
【００４５】
マルチチャネル作動は、高いサンプリング速度での近視野と遠視野の両方のフォーカスゾーン（すなわち、多深度）の撮像を容易にすることができる。そのような技術は、制限を受ける走査速度が心臓及び血流のような高速移動物体の歪曲画像をもたらす図９Ｂに示す従来のマルチゾーンフォーカス技術とは対照的である。一般的に、走査速度は、次のパルスが送信される前に最も遠い場所からの情報が戻るのを待つ必要性によって決定される。図９Ｂに示すように、第１の深度にフォーカスさせるために、遅延発生器は、複数の変換器チャネルにわたって第１の遅延シグナチャーを実施する。次に、第２の深度に関連付けられた異なる遅延シグナチャーを有する第２のパルスが送られる。５つの深度ゾーン（ａ〜ｆ）が設けられる場合に、５つのパルス及び５つのサンプリング期間が必要とされ、走査速度は更に低下する。更に、画像深度全体にわたって有効横方向分解能を改善するために、複数フォーカスゾーン技術が多くの場合に使用される。各ゾーン内では、改善された分解能を得るために、幅広開口／低ｆ数の撮像が使用され、各ゾーンからの画像が互いに貼り合わせられる。それによってフレームレートが更に低下することになる。
【００４６】
例えば、図１Ｂに示すもののようなアレイを有する実施形態において、異なる振動モードの結果として周波数応答においていくつかの幅広の帯域を形成することができる場合に、各周波数帯域は、独立した撮像チャネル内に使用することができる。各チャネルは、（Ｔ〜１／２ｆi）の持続時間又はチャープ波形を有するパルスのような関連付けられた周波数にある励起波形によって励振することができる。受信信号は、対応する帯域通過フィルタを用いて又は様々な復調技術によって様々なチャネル内に入れるように解析することができる。その結果、チャネル数に比例してフレームレートを改善することができる。図９Ｃに示すように、提案するマルチチャネル作動モードは、高周波数（短いパルス）の第１励起波形に関する高周波チャネルが近視野ゾーンに使用され、それに応じてフォーカスされて（小さい焦点距離）高分解能画像を与える複数フォーカスゾーン技術を効率的に実施することができる。同時に、最大侵入を与えるために、ＬＦ（低周波数）の単一チャネル（又は複数チャネル）をより深い焦点距離の場所にフォーカスさせることができる。理論的には、この手法は、高周波変換器の高速撮像速度、低周波変換器の深い侵入、及び画像深度にわたる改善された有効横方向分解能を与える。
【００４７】
本明細書の他の箇所で特筆したように、本明細書に説明するマルチモードＭＵＴ実施形態を実施する際の技術的課題のうちの１つは、同じチャネルの膜の間の脱建設的干渉を含む。ＭＵＴの帯域幅を改善し、及び／又は本明細書に説明する特定の作動モードに帯域幅を適応させるために、様々なサイズの振動膜（平面、ドーム、窪み）を用いた周波数整形を行うことができる。この場合に、一般的に、設計作業は、ｎ個の１次フィルタを使用することによって広帯域の帯域通過フィルタを設計するのに似ている。周波数応答の形状は絞り直径のセットの関数であるので、周波数整形は、リソグラフィを用いた幾何学形状によって調整することができるが、有効剛性、有効質量、自然共振周波数、有効音響インピーダンス、及び要素間の結合を含むいくつかのパラメータは、全て膜直径に強く依存する。その結果、変換器の周波数スペクトルは、膜直径の非常に複合的な関数であり、実際の周波数整形を潜在的に扱い難くかつ複合的な手順にする。
【００４８】
従って、実施形態において、ＭＵＴアレイの周波数応答は、ＭＵＴデバイスの１つ又はそれよりも多くのマスクレベルで感度解析を実施することにより、モデル化された公称寸法から最適化される。この例示的実施形態において、感度解析は、電極と変換器膜の材料との間の接触面積を定める単一マスクレベルを用いて実施される。１つの有利な実施形態において、単一マスクレベルは、電極が通って接触する膜材料の上の寸法決定された開口部を定める誘電体窓層である。例えば、図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃは、窓寸法が圧電膜２１０と駆動／感知電極２１２の間に配置された誘電体膜２２４（例えば、酸化物）内の開口部を如何に定めるかを示している。この誘電体窓の寸法は、モード形状及びモード周波数をそれ程変化させることなく、主として様々なモード形状の振幅に影響を及ぼす別のパラメータである。更に、有効質量、有効剛性、及び有効音響インピーダンスをごく僅かしか変化させないことが予想される。従って、実施形態において、最終周波数応答は、酸化物の窓の寸法の最適化に基づいて微調整される。
【００４９】
最適化された窓サイズは、数値モデル（例えば、ＦＥＭモデル）を用いて推定するか又は実験的に見出すことができる。図１０は、可能性として１回の製作及び１枚の単一マスク層（窓マスク）だけを用いて実験を通して決定された誘電体窓サイズの感度解析を実施することにより、異なる膜サイズを有する膜の集団から周波数形状を最適化する方法１１００を示す流れ図である。方法１１００は、望ましい１つ又は複数の公称周波数応答を得るためにモデル化パラメータに基づいてＰＭＵＴデバイスの全てのマスク層の寸法を決定する段階を有する作動１１５０で始まる。
【００５０】
作動１１６０では、ｎ個の膜タイプ（サイズ）に関する圧電接触面積を調節するために、ＰＭＵＴアレイチャネルにわたって誘電体窓マスクＣＤが変更される。例えば、ＩＤ超音波アレイが６４〜２５６個の同一のチャネルを含む場合に、これらのチャネルは、ｎ＋１個の群に分割することにより、すなわち、モデルによって推定される１つの対照セットと、図１１に５つの変形に対して詳しく示すように変形毎に１つのタイプの膜のみの酸化物窓が予め定められた値（２μｍ〜２０μｍ）だけ変更される対照セットの変形とに分割することにより、各アレイを感度マトリックスとして設計することができる。図示のように、円形のバンド１１１０は、窓ＣＤの収縮を表し、電極レール１１０に関するチャネルでは、最も大きい膜要素だけが予め決められた量だけ調節（収縮）され、一方、異なる公称サイズの膜は、描く他の４つの処理に対して変更された窓サイズを有する。
【００５１】
図１０に戻ると、作動１０７０では、実験的な窓寸法決めを含むマスクセットを用いてＰＭＵＴデバイスが製作される。次に、作動１１８０（図１０）では、チャネル応答（図１１に詳しく示す）が、各窓サイズ変形に対して、製作されたデバイスから測定される。次に、感度項（∂ｙ／∂ｘ、ここでｘは窓サイズであり、ｙは周波数応答である）を発生させるために、これらの応答は、公称（モデル化された）寸法に関連付けられた応答と比較される。次に、望ましい最終周波数応答に到達する各膜サイズ分類に対する窓の最適サイズは、感度解析に基づいて決定される。その後に、作動１１９０では、アレイ内に使用される各異なる膜サイズに対して決定されたこれらの最適マスク寸法に基づいて、最終マスクセットが定められる。図１０に詳しく示すように、オプションとして感度解析の２回目の反復処理を実施することができる。
【００５２】
以上の説明は例示的なものであって、限定的ではないことは理解されるものとする。例えば、図内の流れ図は、本発明のある一定の実施形態によって実施される作動の特定の順序を示すが、そのような順序を必要としない可能性がある（例えば、別の実施形態は、これらの作動を異なる順序で実施する、ある一定の作動を組み合わせる、ある一定の作動を重ねる、更に類似のことを行うことができる）ことを理解しなければならない。更に、当業者には、以上の説明を読解した上で多くの他の実施形態が明らかであろう。本発明を特定の例示的実施形態を参照して記述したが、本発明は、記述した実施形態に限定されないことは認識されるであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１０１  ＭＵＴアレイ
１１０、１２０、１３０、１４０  電極レール
１１１Ａ〜１１６Ａ、１１１Ｂ〜１１５Ｂ、１２１Ａ  変換器要素
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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