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公開番号2025105690
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-10
出願番号2025068803,2024010834
出願日2025-04-18,2017-11-30
発明の名称直接相互接続機能をもつ低電圧、低電力MEMSトランスデューサ
出願人エコーイメージング,インク.
代理人個人,個人,個人
主分類A61B 8/00 20060101AFI20250703BHJP(医学または獣医学;衛生学)
要約【課題】直接相互接続機能をもつ低電圧、低電力MEMSトランスデューサを提供する。
【解決手段】撮像デバイス(120)は圧電素子の二次元アレイ(2000)を含む。各圧電素子(2002)は:圧電層と;前記圧電層の下側に配置され、送信モードの間は送信信号を受け取り、受信モードの間は電荷を形成するよう構成された下部電極(2003)と;前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極(2006)と;第一の導体(2007)とを含み、前記二次元アレイ(2000)の第一の列内の前記圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体(2007)に電気的に結合されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
トランスデューサであって：
圧電素子の二次元アレイであって、各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み：
圧電層；
前記圧電層の下側に配置された下部電極；および
前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極を有する、圧電素子の二次元アレイと；
第一の導体とを有しており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、
トランスデューサ。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記圧電素子が、幅が広い周波数応答を示す複数の振動モードをもつ、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記二次元アレイの列内の前記圧電素子のそれぞれの下部電極が導体に接続され、それらの導体がさらに第一の列において一緒に接続される、請求項２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記圧電素子が複数の列になっており、列内のすべての圧電素子の下部電極は導体に接続され、異なる列についての下部電極に接続される導体は別個であり、すべての列のすべての圧電素子の上部電極は一緒に接続される、請求項３に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、列内のすべての第一のサブ圧電素子の上部電極を導体が接続しており、同じ列内の前記第二のサブ圧電素子のすべての上部電極を別の導体が接続しており、下部電極を接続する導体は前記アレイ内のすべての圧電素子に接続されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
各圧電素子は第一および第二のサブ圧電素子を含み、前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれは上部電極および下部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の下部電極は前記第二のサブ圧電素子の下部電極に電気的に結合されており、前記第一のサブ圧電素子の上部電極は前記第二のサブ圧電素子の上部電極に電気的に結合されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記第一および第二のサブ圧電素子のそれぞれがさらに追加的な上部電極を含み、前記第一のサブ圧電素子の追加的な上部電極が、前記第二のサブ圧電素子の追加的な上部電極に電気的に結合されている、請求項６に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
第二の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の部分の前記第一の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されており、
前記第一の導体は前記第二の導体に電気的に結合されている、
請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記二次元アレイの各圧電素子が、前記圧電層の上面に配置された第二の上部電極をさらに有しており、当該トランスデューサが：
第二の導体をさらに有しており、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の集合の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、
請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
前記第一および第二の上部電極のそれぞれが環状形状をもち、前記第二の上部電極が前記第一の上部電極を囲んでいる、請求項９に記載のトランスデューサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、2016年12月4日に出願され、「A Configurable Ultrasonic Line imager」と題する米国仮出願第62,429,832号、2016年12月4日に出願され、「Low Voltage, Low
Power MEMS Transducer with Direct Interconnect」と題する米国仮出願第62,429,833号および2016年12月13日に出願され、「Micromachined Transceiver Array」と題する米国仮出願第62,433,782号の利益を主張する。これらの出願の内容はここに参照によりその全体において組み込まれる。
続きを表示（約 3,200 文字）【０００２】
Ａ．技術分野
本発明は、イメージング・デバイスに関し、より詳細には、構成可能な超音波ライン・イメージャを有するイメージング・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
Ｂ．発明の背景
人または動物の体の内部組織、骨、血流または器官を画像化し、該画像を表示するための非侵入的イメージング・システムは、信号を身体に送信し、撮像される身体部分から反射信号を受信することを要する。典型的には、イメージング・システムにおいて使用されるトランスデューサはトランシーバと呼ばれ、トランシーバのいくつかは、光音響効果または超音波効果に基づく。一般に、トランシーバは撮像のために使われるが、必ずしも撮像に限定されない。たとえば、トランシーバは、医療撮像、管内の流れ測定、スピーカーおよびマイクロフォン・アレイ、砕石術、治療のための局在化された組織加熱または手術のための高強度集束超音波（HIFU）において使用できる。バルクの圧電（PZT）材料から
構築される通常のトランスデューサは典型的には、送信信号を生成するために非常に高電圧、典型的には100V以上のパルスを必要とする。トランスデューサにおける電力消費／散逸は駆動電圧の二乗に比例するので、この高い電圧は高い電力散逸につながる。また、プローブの表面がどれだけ高温になれるかについても限界があり、消費電力はプローブによって生成される熱に比例するので、これは、どのくらいの電力がプローブにおいて消費されることができるかを制限する。通常のシステムでは、発熱は、いくつかのプローブのために冷却装置を必要とし、プローブの製造コストおよび重量を増加させている。一般に、通常のプローブの重量も問題である。なぜなら、これらのプローブを使用する多くの超音波検査技師が筋傷害を受けることが知られているからである。
【０００４】
医療撮像に使用される従来の超音波プローブは、典型的には、PZT材料または他の圧電
セラミックおよびポリマー複合体を使用する。プローブは、典型的には、トランスデューサおよび画像を表示ユニットに表示させるための手段をもつ他の若干の電子回路を収容する。トランスデューサ用の従来のバルクPZT素子を製造するためには、単に、厚い圧電材
料スラブを大きな長方形のPZT素子に切ればよい。これらの長方形のPZT素子は、製造プロセスが長方形の厚いPZTまたはセラミック材料を精密に切断し、精密な間隔で基板上に取
り付けることに関わるため、製造コストが非常に高い。さらに、トランスデューサのインピーダンスは、トランスデューサのための送受信電子回路のインピーダンスよりもはるかに高い。
【０００５】
従来のシステムでは、トランスデューサのための送受信電子回路は、しばしばプローブから遠く離れて位置され、トランスデューサと電子回路との間の小型同軸ケーブルを必要とする。一般に、ケーブルは、遅延およびインピーダンス整合のための正確な長さを有する必要があり、ケーブルを介したトランスデューサの電子回路への効率的な接続のために
は、かなりしばしば、追加的なインピーダンス整合ネットワークが必要とされる。
【０００６】
ミクロ機械加工技術の進歩により、容量性ミクロ機械加工超音波トランスデューサ（cMUT）および圧電ミクロ機械加工超音波トランスデューサ（pMUT）のようなセンサーおよびアクチュエータが、基板上に効率的に形成されることができる。バルクの圧電材料を有する従来のトランスデューサと比較して、pMUTは、電子回路とトランスデューサとの間のより簡単でより高性能の相互接続をもち、動作周波数においてより大きな柔軟性を提供し、より高品質の画像を生成する可能性を提供しながら、それほどかさばらず、安価でもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらのトランスデューサの基本概念は1990年代初頭に開示されたが、これらの概念の商業的実装は多くの課題に直面している。たとえば、従来のcMUTセンサーは、高電圧動作の間の電荷蓄積に起因する障害またはパフォーマンスのドリフトを受けやすく、低周波数で十分高い音響圧力を生成することが難しく、本質的に非線形である。従来のpMUTは有望な代替であったが、送信および受信の非効率性に関する問題を有し、依然として比較的高い動作電圧を必要とし、帯域幅が制限されている。よって、向上された効率を有し、より低い電圧で動作し、高い帯域幅を示すことができるpMUTが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイを含む。各圧電素子は：圧電層と；前記圧電層の下側に配置され、送信モードの間は送信信号を受け取り、受信モードの間は電荷を形成するよう構成された下部電極と；前記圧電層の上側に配置された第一の上部電極と；第一の導体とを含み、前記二次元アレイの第一の列内の前記圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている。
【０００９】
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層；前記圧電層の下側に配置された下部電極；および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極を含む、二次元アレイと；第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一の導体と；前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処理するよう構成された第一の電気回路と；第二の導体であって、前記二次元アレイの第二の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、第二の導体と；第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第一の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと；信号を処理するための第二の電気回路と；前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記スイッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に結合される。
【００１０】
実施形態において、撮像デバイスは圧電素子の二次元アレイであって、圧電素子の前記二次元アレイの各圧電素子は少なくとも一つのサブ圧電素子を含み、圧電層；前記圧電層の下側に配置された下部電極；および前記圧電層の上側に配置された第一および第二の上部電極を有する、二次元アレイと；第一の導体であって、前記二次元アレイの第一の行内の圧電素子の一部の前記第一の上部電極は前記第一の導体に電気的に結合されている、第一の導体と；前記第一の導体に電気的に結合され、前記第一の導体を通じて受信された信号を処理するよう構成された第一の電気回路と；第二の導体であって、前記二次元アレイの第一の列内の圧電素子の一部の前記第二の上部電極は前記第二の導体に電気的に結合されている、第二の導体と；第一の端部および第二の端部をもつスイッチであって、前記第
一の端部は前記第二の導体に電気的に結合されている、スイッチと；信号を処理するための第二の電気回路と；前記第二の導体に信号を送るための送信ドライバとを含み、前記スイッチの前記第二の端部は、前記第二の電気回路および前記送信ドライバの一方に選択的に結合される。
（【００１１】以降は省略されています）

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