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特表2024-511654高調波特性を備えた圧電トランシーバを有するイメージングデバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-14
(54)【発明の名称】高調波特性を備えた圧電トランシーバを有するイメージングデバイス
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20240307BHJP
A61B 8/00 20060101ALI20240307BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 330H
A61B8/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023560471
(86)(22)【出願日】2021-06-30
(85)【翻訳文提出日】2023-11-20
(86)【国際出願番号】 US2021039994
(87)【国際公開番号】W WO2022211836
(87)【国際公開日】2022-10-06
(31)【優先権主張番号】17/218,656
(32)【優先日】2021-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】PCT/US2021/025109
(32)【優先日】2021-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520342725
【氏名又は名称】エコー イメージング，インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(72)【発明者】
【氏名】クォン，ヘソン
(72)【発明者】
【氏名】バーカムショー，ブライアン
(72)【発明者】
【氏名】アッカラジュ，サンディープ
【テーマコード（参考）】
4C601
5D019
【Ｆターム（参考）】
4C601EE03
4C601GB02
4C601GB06
4C601GB15
4C601GB19
4C601GB41
4C601LL26
5D019AA07
5D019BB02
5D019BB13
5D019BB19
5D019DD01
5D019FF04
(57)【要約】
第１の圧電層と第２の圧電層とを含む微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。第１の圧電層は、第１の電極と第２の電極との間に配置される。第２の圧電層は、第２の電極と第３の電極との間に配置される。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、それらのうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第１の軸に対して垂直な第２の軸は、第１の軸の中間点を通過する。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も狭い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌである。Ｒ／Ｌは１よりも大きい。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層であり、前記第１の圧電層が、第１の電極と第２の電極との間に配置され、前記第２の圧電層が、前記第２の電極と第３の電極との間に配置される、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層
を含み、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も狭い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌであり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも大きい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項2】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項3】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項4】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと、
をさらに含む、請求項１に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項5】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項４に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項6】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層と、
Ｎ個の電極を含む複数の電極と、
を含み、
前記複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層が、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置され、前記指標ｍが、前記圧電層の垂直距離に関連づけられ、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も狭い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌであり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも大きい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項7】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項６に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項8】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項６に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項9】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと、
をさらに含む、請求項６に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項10】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項ｉに記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項11】
Ｎ＝Ｍ＋１である、請求項６に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項12】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層であり、前記第１の圧電層が、第１の電極と第２の電極との間に配置され、前記第２の圧電層が、前記第２の電極と第３の電極との間に配置される、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層、
を含み、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も広い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍であり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも小さい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項13】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１２に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項14】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１２に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項15】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと、
をさらに含む、請求項１２に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項16】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項１５に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項17】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層と、
Ｎ個の電極を含む複数の電極と、
を含み、
前記複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層が、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置され、前記指標ｍが、前記圧電層の垂直距離に関連づけられ、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も広い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍であり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも小さい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項18】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１７に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項19】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１７に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項20】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと、
をさらに含む、請求項１７に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項21】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項２０に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項22】
Ｎ＝Ｍ＋１である、請求項１７に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
相互参照
[001]本出願は、２０２１年３月３１日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０２５１０９号の利益を主張し、さらに、２０２１年３月３１日に出願された米国特許出願第１７／２１８，６５６号の利益を主張し、これらの内容は、これらの全体が参照により本明細書に完全に組み込まれる。
[001]本出願は、２０２１年３月３１日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０２５１０９号の利益を主張し、さらに、２０２１年３月３１日に出願された米国特許出願第１７／２１８，６５６号の利益を主張し、これらの内容は、これらの全体が参照により本明細書に完全に組み込まれる。
【0002】
[003]本発明は、イメージングデバイスに関し、より詳細には、基本周波数および高調波周波数で駆動されたときに向上した圧力振幅および周波数応答挙動を示す微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有するイメージングデバイスに関する。
【背景技術】
【0003】
[005]人体の内臓をイメージングし、内臓の画像を表示するための非侵襲的イメージングシステムは、信号を人体内に送信し、臓器から反射された信号を受信する。一般に、イメージングシステムで使用される容量性トランスデューサ（ｃＭＵＴ）または圧電トランスデューサ（ｐＭＵＴ）などのトランスデューサは、トランシーバと呼ばれ、トランシーバのうちのいくつかは、光音響効果または超音波効果に基づく。
【0004】
[006]一般に、ＭＵＴは、２つ以上の電極を含み、電極のトポロジーは、ＭＵＴの電気性能と音響性能の両方に影響を与える。例えば、ｐＭＵＴによって生成された音圧の振幅は、電極のサイズが増加するにつれて増加し、それによって、ｐＭＵＴの音響性能が改善される。しかしながら、電極のサイズが増加するにつれて、キャパシタンスも増加してｐＭＵＴの電気性能を劣化させる。別の例では、ｐＭＵＴの振動共振周波数における音圧の振幅は、電極の形状によって影響される。そのため、トランスデューサの音響性能と電気的性能の両方を向上させるように電極を設計するための方法の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
[007]一態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。ＭＵＴは、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層を含む。第１の圧電層は、第１の電極と第２の電極との間に配置される。第２の圧電層は、第２の電極と第３の電極との間に配置される。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸が第１の軸の中間点を通過し、第２の軸は第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も狭い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌである。Ｒ／Ｌは１よりも大きい。
【0006】
[008]いくつかの実施形態では、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[009]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[009]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0007】
[010]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0008】
[011]一態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。ＭＵＴは、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層を含む。ＭＵＴは、Ｎ個の電極を含む複数の電極をさらに含む。複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層は、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置される。指標ｍは、圧電層の垂直距離に関連づけられる。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸は、第１の軸の中間点を通過する。第２の軸は、第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も狭い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌである。Ｒ／Ｌは１よりも大きい。
【0009】
[012]いくつかの実施形態では、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[013]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[013]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0010】
[014]いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンとをさらに含む。
[015]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
[015]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0011】
[016]いくつかの実施形態では、Ｎ＝Ｍ＋１である。
[017]一態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。ＭＵＴは、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層を含む。第１の圧電層は、第１の電極と第２の電極との間に配置される。第２の圧電層は、第２の電極と第３の電極との間に配置される。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸が第１の軸の中間点を通過し、第２の軸は第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も広い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍である。Ｒ／Ｌは１よりも小さい。
[017]一態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。ＭＵＴは、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層を含む。第１の圧電層は、第１の電極と第２の電極との間に配置される。第２の圧電層は、第２の電極と第３の電極との間に配置される。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸が第１の軸の中間点を通過し、第２の軸は第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も広い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍である。Ｒ／Ｌは１よりも小さい。
【0012】
[018]いくつかの実施形態では、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[019]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[019]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0013】
[020]いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンとをさらに含む。
[021]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
[021]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0014】
[022]一態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。ＭＵＴは、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層を含む。ＭＵＴは、Ｎ個の電極を含む複数の電極をさらに含む。複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層は、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置される。指標ｍは、圧電層の垂直距離に関連づけられる。少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸は、第１の軸の中間点を通過する。第２の軸は、第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も広い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍である。Ｒ／Ｌは１よりも小さい。
【0015】
[023]いくつかの実施形態では、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[024]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[024]いくつかの実施形態では、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0016】
[025]いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンとをさらに含む。
[026]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
[026]いくつかの実施形態では、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0017】
[027]いくつかの実施形態では、Ｎ＝Ｍ＋１である。
[028]実施形態において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は上部電極を含む。上部電極の形状は、長軸および短軸によって画定され、長軸および短軸は原点で交差する。上部電極の両方の遠位端、すなわち、長軸の方向において原点から最も遠い上部電極の端部は、曲率半径Ｒによって画定される。上部電極の固有幅Ｌは、原点から短軸の方向に（すなわち、長軸に対して垂直に）上部電極の外縁部または外周まで測定される。固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より大きい場合、上部電極は、中央部の幅と比較して、端部においてより広く、電極は概ね凹状の形状を有する。固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より小さい場合、上部電極は、中央部の幅と比較して、端部においてより狭く、電極は概ね凸状の形状を有する。本明細書においてより詳細に記載されるように、凹状または凸状の形状で構成されているかどうかにかかわらず、特定のＲ／Ｌ値をもつ電極または特定の値の範囲内の電極は、基本周波数および高調波周波数で駆動されたとき、先行する電極形状設計と比べて、望ましい圧力振幅および周波数応答挙動を示す。軸に沿った凹状または凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
[028]実施形態において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は上部電極を含む。上部電極の形状は、長軸および短軸によって画定され、長軸および短軸は原点で交差する。上部電極の両方の遠位端、すなわち、長軸の方向において原点から最も遠い上部電極の端部は、曲率半径Ｒによって画定される。上部電極の固有幅Ｌは、原点から短軸の方向に（すなわち、長軸に対して垂直に）上部電極の外縁部または外周まで測定される。固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より大きい場合、上部電極は、中央部の幅と比較して、端部においてより広く、電極は概ね凹状の形状を有する。固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より小さい場合、上部電極は、中央部の幅と比較して、端部においてより狭く、電極は概ね凸状の形状を有する。本明細書においてより詳細に記載されるように、凹状または凸状の形状で構成されているかどうかにかかわらず、特定のＲ／Ｌ値をもつ電極または特定の値の範囲内の電極は、基本周波数および高調波周波数で駆動されたとき、先行する電極形状設計と比べて、望ましい圧力振幅および周波数応答挙動を示す。軸に沿った凹状または凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
【0018】
[029]実施形態において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は、対称凸状上部電極を含む。軸に沿った対称凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
【0019】
[030]実施形態において、トランスデューサアレイは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凸状上部電極を含む。
[031]実施形態において、イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有するトランスデューサアレイを含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凸状上部電極を含む。軸に沿った対称凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
[031]実施形態において、イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有するトランスデューサアレイを含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凸状上部電極を含む。軸に沿った対称凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
【0020】
[032]実施形態において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）は、対称凹状上部電極を含む。軸に沿った対称凹状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
【0021】
[033]実施形態において、トランスデューサアレイは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凹状上部電極を含む。
[034]実施形態において、イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有するトランスデューサアレイを含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凹状上部電極を含む。軸に沿った対称凹状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
[034]実施形態において、イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を有するトランスデューサアレイを含む。複数のＭＵＴの各々は、対称凹状上部電極を含む。軸に沿った対称凹状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。
【0022】
[035]第１の態様において、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が提供される。ＭＵＴは、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する第１の電極を含む。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸が第１の軸の中間点を通過し、第２の軸は第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も広い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凸形状を有し、Ｒ／Ｌが１より小さくなるように、Ｌの少なくとも２倍である。
【0023】
[036]実施形態において、ＭＵＴは容量性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）である。
[037]実施形態において、ＭＵＴは圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）である。
[037]実施形態において、ＭＵＴは圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）である。
【0024】
[038]実施形態において、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[039]実施形態において、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[039]実施形態において、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0025】
[040]実施形態において、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンと、メンブレン上に配置された第２の電極と、第１の電極または第２の電極のうちの１つまたは複数の上に配置された圧電層とをさらに含む。いくつかの実施形態では、圧電層は、第２の電極上に配置された第１の圧電層を含む。いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、第１の圧電層上に配置された第３の電極と、第３の電極上に配置された第２の圧電層とをさらに含み、第１の電極は、第２の圧電層上に配置される。実施形態において、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0026】
[041]別の態様において、イメージングデバイスが提供される。イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を含むトランスデューサアレイを含み、複数のＭＵＴの各々は、凸状電極を含む。
【0027】
[042]別の態様において、ＭＵＴが提供される。ＭＵＴは、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する第１の電極を含む。第１の端部または第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定される。第２の軸が第１の軸の中間点を通過し、第２の軸は第１の軸に対して垂直である。第１の電極の半値幅は、中間点から第２の軸の方向に第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義される。第１の軸に沿った第１の電極の最も狭い点における第１の電極の全幅は、第１の電極が凹形状を有し、Ｒ／Ｌが１より大きくなるように、２Ｌより小さい。
【0028】
[043]実施形態において、ＭＵＴは、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）である。
[044]実施形態において、ＭＵＴは、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）である。
[044]実施形態において、ＭＵＴは、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）である。
【0029】
[045]実施形態において、第１の軸は、第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。
[046]実施形態において、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
[046]実施形態において、第２の軸は、第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0030】
[047]実施形態において、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンと、メンブレン上に配置された第２の電極と、第１の電極または第２の電極のうちの１つまたは複数の上に配置された圧電層とをさらに含む。いくつかの実施形態では、圧電層は、第２の電極上に配置された第１の圧電層を含む。いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、第１の圧電層上に配置された第３の電極と、第３の電極上に配置された第２の圧電層とをさらに含み、第１の電極は、第２の圧電層上に配置される。実施形態において、圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される。
【0031】
[048]別の態様において、イメージングデバイスが提供される。イメージングデバイスは、複数の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）を含むトランスデューサアレイを含み、複数のＭＵＴの各々は、凹状電極を含む。
【0032】
参照による組み込み
[049]本明細書において言及されるすべての刊行物、特許、および特許出願は、各個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により組み込まれるように具体的に個別に示されるのと同程度に参照により本明細書に組み込まれる。
[049]本明細書において言及されるすべての刊行物、特許、および特許出願は、各個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により組み込まれるように具体的に個別に示されるのと同程度に参照により本明細書に組み込まれる。
【0033】
[050]本発明の実施形態が参照され、その例が添付の図に示され得る。これらの図は、例示を意図するものであり、限定を意図するものではない。本発明は、概ね、これらの実施形態の文脈に記載されているが、本発明の範囲をこれらの特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】[051]本開示の実施形態によるイメージングシステムを示す図である。
【図2】[052]本開示の実施形態によるイメージャの概略図である。
【図3A】[053]本開示の実施形態によるトランシーバアレイの側面図である。
【図3B】[054]本開示の実施形態によるトランシーバタイルの上面図である。
【図4B】[056]本開示の実施形態による凹状ＭＵＴの上面図である。
【図4C】[057]本開示の実施形態による凹状ＭＵＴの代替の上面図である。
【図4D】[058]本開示の実施形態による凸状ＭＵＴの上面図である。
【図4E】[059]本開示の実施形態による凸状ＭＵＴの代替の上面図である。
【図4G】[061]多数の圧電層をもつｐＭＵＴの断面図である。
【図5A】[063]本開示の実施形態による凹状構成を有するＭＵＴの音響応答のプロットを示す図である。
【図5B】[064]本開示の実施形態による凸状構成を有するＭＵＴの音響応答のプロットを示す図である。
【図6A】[065]本開示の実施形態による凹状ＭＵＴおよび凸状ＭＵＴの振動モード形状を示す図である。
【図6B】本開示の実施形態による凹状ＭＵＴおよび凸状ＭＵＴの振動モード形状を示す図である。
【図6C】本開示の実施形態による凹状ＭＵＴおよび凸状ＭＵＴの振動モード形状を示す図である。
【図7A】[066]単層ｐＭＵＴデバイスの周波数応答と比較した２層ｐＭＵＴの周波数応答のプロットを示す図である。
【図7B】[067]形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答と比較した形状が凹状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答のプロットを示す図である。
【図7C】[068]形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答と比較した形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答のプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
[069]以下の記載において、説明の目的で、具体的な詳細が、本開示の理解を与えるために記載される。しかしながら、当業者には、これらの詳細なしに本開示が実践され得ることが明らかであろう。さらに、当業者は、以下で説明される本開示の実施形態が、プロセス、装置、システム、またはデバイスなどの様々な方法で実施され得ることを認識するであろう。
【0036】
[070]図に示される素子／構成要素は、本開示の例示的な実施形態の例示であり、本開示を不明瞭にすることを避けるように意図されている。本明細書における「１つの実施形態」、「好ましい実施形態」、「一実施形態」、または「複数の実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、特性、または機能が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれ、２つ以上の実施形態に存在し得ることを意味する。本明細書の様々な箇所における「１つの実施形態において」、「一実施形態において」、または「複数の実施形態において」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態または複数の実施形態を参照するわけではない。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、および「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、オープンな用語であると理解されるものとし、後に続くリストは、例であり、リストに記載された項目に限定されることを意味するものではない。本明細書で使用される見出しは、系統だてるためのみのものであり、説明または特許請求の範囲の範囲を限定するために使用されないものとする。さらに、本明細書の様々な箇所における特定の用語の使用は、例示のためであり、限定として解釈されるべきではない。
【0037】
概要
[071]多層微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。多層ＭＵＴは、圧電層が電極のセット間に「挟まれる」ような方法で、互いに積み重ねられた多数の交互の圧電層と電極（したがって、多層ｐＭＵＴである）を含むことができる。したがって、最上層でも最下層でもない所与の電極は、２つの圧電層によって共有され、第１の圧電層上および第２の圧電層の下に配置され得る。
[071]多層微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開示される。多層ＭＵＴは、圧電層が電極のセット間に「挟まれる」ような方法で、互いに積み重ねられた多数の交互の圧電層と電極（したがって、多層ｐＭＵＴである）を含むことができる。したがって、最上層でも最下層でもない所与の電極は、２つの圧電層によって共有され、第１の圧電層上および第２の圧電層の下に配置され得る。
【0038】
[072]本明細書に開示される特定のＭＵＴデバイスは、２つの圧電層および３つの導電層または電極を含む２層であるが、追加の層をもつＭＵＴデバイスが設計されてもよい。層の数が増加するにつれて、デバイスの性能は向上し得る。しかし、層数が多すぎる場合、デバイス内のキャパシタンスが増加する可能性がある。その結果、信号入力の立ち上がり時間が遅くなり、それが性能を劣化させることがある。一般に、Ｍ個の圧電層をもつＭＵＴデバイスは、Ｎ個の伝導層を有することができ、ＮはＭ＋１に等しいことになる。
【0039】
[073]圧電トランスデューサは、音波を媒体中に送信し、媒体からの音波を受信し、受信した波を電気信号に変換することができる。圧電材料は、機械的に応力を加えられると、電荷を蓄積する。圧電材料は逆圧電効果も示す。電界が圧電材料に印加されると、印加された電界は機械的歪みを引き起こす。したがって、圧電トランスデューサが、送信（Ｔｘ）モードで、交流（ＡＣ）電圧を印加することによって駆動されると、振動電圧は、圧電層を振動させ、音波を作り出す。この波は、圧電層の下に配置された基板層内で共振し、送信の前に音波の出力パワーを増加させることができる。受信（Ｒｘ）モードでは、反射された音波は、圧電層に機械的応力を引き起こし、圧電層に電荷を蓄積させる。蓄積された電荷は電気信号を生成し、電気信号はイメージングデバイスによって読み取られ得る。
【0040】
[074]追加の圧電層によりＭＵＴトランスデューサを増強することで、ＡＣ電圧により応力を加えられたときにより多くの振動を作り出すことによって、生成される音波のパワーを増加させることができ、受信した音波からの応力に応じてより多くの電荷を蓄積させることができる。したがって、そのようなデバイスは単層デバイスよりも強力および高感度であり得る。
【0041】
[075]したがって、多数の圧電層をもつデバイスは、より大きい出力パワーをもつ音波を生成することができる。電圧が多層ｐＭＵＴに印加されると、より多くの振動が作り出されるので、より強力な音波が作り出され得る。逆に、入射波は、多数の圧電層に応力を加え、より大きい信号を生成することができる。
【0042】
[076]追加の圧電層の実装に加えて、開示されるＭＵＴデバイスは、基本周波数および高調波で駆動されたときに望ましい圧力振幅および周波数応答を示すように成形された凸状電極または凹状電極を使用することができる。
【0043】
[077]本開示は、高周波における性能の改善に関する情報を提供することができるエンジニアリングパラメータであるＭＵＴアスペクト比を定義する。アスペクト比は、電極の長辺の長さを電極の固有半値幅（電極の中間点における短辺の幅）の２倍で割ることによって計算され得る。したがって、同じサイズの電極では、凸状電極は、凹状電極よりも小さいアスペクト比を有し得る。
【0044】
[078]本開示は、特定のアスペクト比をもつ多層ＭＵＴが、高周波において、音波パワーの増加、したがって、より良好な性能を示し得ることを示唆する。別の凹状ｐＭＵＴよりも大きいアスペクト比もつ本明細書に開示される多層凹状ｐＭＵＴは、高周波においてより良好な性能を有することが示された。この結果は、凹状ｐＭＵＴにおけるＲ／Ｌの増加と高周波性能の改善との間の一般的な関係と一致する。
【0045】
多層ＭＵＴデバイス
[079]圧電ＭＵＴ（ｐＭＵＴデバイス）とすることができる微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が本明細書において開示される。
[079]圧電ＭＵＴ（ｐＭＵＴデバイス）とすることができる微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が本明細書において開示される。
【0046】
[080]ＭＵＴデバイスは、少なくとも２つの圧電層を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＭＵＴデバイスは、少なくとも３つの層、少なくとも４つの層、少なくとも５つの層、少なくとも６つの層、少なくとも１０個の層を含むことができる。ＭＵＴデバイスは、最大で３つの層、または最大で４つの層、または最大で５つの層、または最大で６つの層、または最大で１０個の層を含むことができる。ＭＵＴデバイスは、３つと６つとの間の層、または４つと７つとの間の層、または５つと８つとの間の層、または６つと９つとの間の層、または７つと１０個との間の層を含むことができる。圧電層は、均一な厚さであってもよい。圧電層は、不均一な厚さであってもよい。圧電層はすべて異なる厚さであってもよい。圧電層のサブセットは、同じ厚さを有してもよいが、厚さが他のサブセットと異なっていてもよい。
【0047】
[081]圧電層は、２つの電極間に、すなわち、上方の第２の電極と下方の第１の電極との間に配置され得る。デバイスの各圧電層は、このように２つの電極間に配置され得る。したがって、デバイスは、層が電極を共有することができるので、存在する圧電層よりも１つ多い電極を含み得る。いくつかの実施形態では、ＭＵＴデバイスは、少なくとも３つの電極、少なくとも４つの電極、少なくとも５つの電極、少なくとも６つの電極、少なくとも１０個の電極を含むことができる。ＭＵＴデバイスは、最大で３つの電極、または最大で４つの電極、または最大で５つの電極、または最大で６つの電極、または最大で１０個の電極を含むことができる。ＭＵＴデバイスは、３つと６つとの間の電極、または４つと７つとの間の電極、または５つと８つとの間の電極、または６つと９つとの間の電極、または７つと１０個との間の電極、または８つと１１個との間の電極を含むことができる。
【0048】
[082]いくつかの実施形態では、少なくとも第１の電極は、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。いくつかの実施形態では、電極のすべては、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。他の実施形態では、電極の半分未満が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。他の実施形態では、電極の半分より多いが、すべてよりも少ない電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有する。
【0049】
[083]１つまたは複数の電極の第１の端部または１つまたは複数の電極の第２の端部のうちの１つまたは複数は、曲率半径Ｒによって画定され得る。第１の端部および第２の端部は、円の一部のように成形され得る。第１の端部および第２の端部は、同じ曲率半径Ｒを有していてもよく、有していなくてもよい。第１の端部、および／または第２の端部は、追加として、楕円形、三角形、正方形、または長方形の一部のように成形されてもよいが、ＭＵＴの性能を劣化させる可能性がある鋭い縁部を使用しない場合がある。第１の端部および／または第２の端部は、異なるように成形されてもよい。電極はすべて同じ形状を有してもよい。多電極ＭＵＴの電極は、同じ形状のものもあれば、別の形状のものもある。電極の一部またはすべては、各々、異なる形状であってもよい。
【0050】
[084]第１の軸および第２の軸は、互いに垂直（ｎｏｒｍａｌ）または直角（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）であり得る。第２の軸は、第１の軸の中点を通過することができ、および／またはその逆も成立する。
【0051】
[085]多層ＭＵＴは、性能を改善するために特定の形状を有する電極を含むことができる。ＭＵＴ電極は、長辺および短辺をもつ実質的に卵形または長方形とすることができる。電極の幅は、電極の長辺を二等分する軸に沿って変化してもよい。例えば、中間点の近くでは、電極は、長い端部よりも薄く、凹形状を作り出すことができる。他の実施形態では、電極は、長い端部よりも中央で厚く、凸面状を作り出すことができる。
【0052】
[086]電極の半値幅は、第２の（または短い）軸の方向に中間点から電極の外周まで測定された長さＬによって定義され得る。電極のすべては同じＬを有することができる。電極の１つのセットは同じＬを有することができるが、他の電極はＬについて異なる値を有することができる。追加として、電極の一部またはすべては、Ｌについて多数の異なる値を有してもよい。
【0053】
[087]いくつかの実施形態では、第１の軸に沿った最も狭い点における電極の全幅は、電極が凹形状を有するように、２Ｌ未満である。この電極は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、または第１１の電極のうちの１つとすることができる。この電極は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、または第１１の電極のうちの１つより多くてもよいが、すべてより少ない。電極のすべてが、同じ凹形状を有してもよく、第１の軸に沿った最も狭い点における全幅は２Ｌ未満である。
【0054】
[088]いくつかの実施形態では、第１の軸に沿った最も広い点における電極の全幅は、電極が凸面状を有するようにＬの少なくとも２倍である。この電極は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、または第１１の電極のうちの１つとすることができる。この電極は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９、第１０、または第１１の電極のうちの１つより多くてもよいが、すべてより少ない。電極のすべてが、同じ凸形状を有してもよく、第１の軸に沿った最も広い点における全幅はＬの２倍よりも大きい。いくつかの実施形態では、すべての電極は対称とすることができる。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電極は、第１の軸および／または第２の軸に対して非対称とすることができる。
【0055】
[089]電極が凸形状を有する実施形態では、Ｌに対するＲの比は１未満とすることができる。例えば、この比は、０．０１未満、０．１未満、０．２未満、０．３未満、０．４未満、０．５未満、０．６未満、０．７未満、０．８未満、０．９未満、０．９９未満、または０．９９９未満とすることができる。例えば、この比は、約０．０１超、０．１超、０．２超、０．３超、０．４超、０．５超、０．６超、０．７超、０．８超、０．９超、０．９９超、または０．９９９超とすることができる。この比は、０と０．１との間、０．１と０．２との間、０．２と０．３との間、０．３と０．４との間、０．４と０．５との間、０．５と０．６との間、０．６と０．７との間、０．７と０．８との間、０．８と０．９との間、および０．９と１との間とすることができる。
【0056】
[090]電極が凹形状を有する実施形態では、Ｌに対するＲの比は１超とすることができる。例えば、この比は、１．０１未満、１．１未満、１．２未満、１．３未満、１．４未満、１．５未満、２未満、５未満、１０未満、２５未満、５０未満、または１００未満とすることができる。例えば、この比は、約１．０１超、１．１超、１．２超、１．３超、１．４超、１．５超、２超、５超、１０超、２５超、５０超、または１００超とすることができる。この比は、１．０と１．１との間、１．１と１．２との間、１と２との間、２と５との間、５と１０との間、１０と２５との間、２５と５０との間、または５０と１００との間とすることができる。
【0057】
[091]いくつかの実施形態では、ＭＵＴは、基板と、基板から架けられたメンブレンとをさらに含む。基板は、半導体材料を含むことができ、または半導体材料と絶縁材料の多数の交互層を含むことができる。例えば、基板はシリコン層を含むことができる。基板は、シリコンと二酸化ケイ素の交互層（すなわち、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板）をさらに含むことができる。他の実施形態では、基板は、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭素ドープシリコン、炭素ドープシリコンゲルマニウム、または別の材料などの半導体材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板は、ＭＵＴの交互の圧電層と電極の下に配置された空洞を含むことができる。
【0058】
[092]いくつかの実施形態では、メンブレンは、音波の送受信を支援するように構成されたシリコン層とすることができる。メンブレンは、ＡＣ電圧が圧電素子に印加された後、圧電素子からの動きに応じて振動することができ、その結果として、対象者に送信される音波を作り出すことができる。音波が反射されると、音波は、メンブレンを乱し、その結果として、圧電層に応力を加え、圧電層に電気信号を生成させることができる。これらの電気信号は、イメージングデバイスに提供され得る。
【0059】
[093]本開示の実施形態では、第１の軸は、電極の最長寸法に沿って延びる。本開示の実施形態では、第２の軸は、電極の最短寸法に沿って延びる。
[094]本開示の実施形態では、少なくとも１つの圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成され得る。いくつかの実施形態では、圧電材料のすべてが、同じ材料から形成される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの圧電層は、前記の材料のうちの１つの複合体である。実施形態のうちのいくつかでは、第１の複数の圧電層は、１つの材料から形成されてもよく、第２の複数の圧電層は、別の材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、すべての圧電層はヘテロジニアスである。いくつかの実施形態では、第１の複数の圧電層はホモジニアスであり、第２の複数の圧電層はヘテロジニアスである。
[094]本開示の実施形態では、少なくとも１つの圧電層は、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成され得る。いくつかの実施形態では、圧電材料のすべてが、同じ材料から形成される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの圧電層は、前記の材料のうちの１つの複合体である。実施形態のうちのいくつかでは、第１の複数の圧電層は、１つの材料から形成されてもよく、第２の複数の圧電層は、別の材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、すべての圧電層はヘテロジニアスである。いくつかの実施形態では、第１の複数の圧電層はホモジニアスであり、第２の複数の圧電層はヘテロジニアスである。
【0060】
[095]本開示の実施形態では、ＭＵＴデバイスは、Ｍ個の圧電層を有することができる。ＭＵＴデバイスは、Ｎ個の電極を有することができる。圧電層は２つの電極間に「挟まれ」得るので、数Ｎは、Ｍ＋１に等しくすることができる。一般に、Ｍ－圧電層ＭＵＴデバイスでは、圧電層に１からＭのインデックスを付けることができ、ここで、１は基板に最も近い層であり、Ｍは基板から最も遠い層である。このセットにおける圧電層ｍについて、隣接する電極は、基板により近い電極および基板からより遠い電極に対して、それぞれ、ｍおよびｍ＋１としてインデックスを付けられ得る。例えば、第２の圧電層は、２のインデックスを与えられ得、第２の圧電層の下の電極および第２の圧電層の上の電極は、それぞれ、２および３のインデックスを付けられ得る。
【0061】
図の説明
[096]図１は、本開示の実施形態によるイメージングシステム１００の概略図を示す。図示のように、システム１００は、送信モード／プロセスにおいて、圧力波１２２を生成し、心臓などの内臓１１２に向けて送信し、内臓から反射された圧力波を受信するイメージャ１２０と、通信チャネル１３０を通してイメージャと信号を送受信するデバイス１０２とを含むことができる。実施形態において、内臓１１２は、圧力波１２２の一部をイメージャ１２０に向けて反射することができ、イメージャ１２０は、受信モード／プロセスにおいて、反射された圧力波を捕捉し、電気信号を生成することができる。イメージャ１２０は、電気信号をデバイス１０２に通信することができ、デバイス１０２は、電気信号を使用して臓器またはターゲットの画像をディスプレイ／スクリーン１０４上に表示することができる。
[096]図１は、本開示の実施形態によるイメージングシステム１００の概略図を示す。図示のように、システム１００は、送信モード／プロセスにおいて、圧力波１２２を生成し、心臓などの内臓１１２に向けて送信し、内臓から反射された圧力波を受信するイメージャ１２０と、通信チャネル１３０を通してイメージャと信号を送受信するデバイス１０２とを含むことができる。実施形態において、内臓１１２は、圧力波１２２の一部をイメージャ１２０に向けて反射することができ、イメージャ１２０は、受信モード／プロセスにおいて、反射された圧力波を捕捉し、電気信号を生成することができる。イメージャ１２０は、電気信号をデバイス１０２に通信することができ、デバイス１０２は、電気信号を使用して臓器またはターゲットの画像をディスプレイ／スクリーン１０４上に表示することができる。
【0062】
[097]実施形態において、イメージャ１２０は、動物の内臓の画像を得るためにも使用され得る。イメージャ１２０はまた、ドップラモードイメージングにおけるように動脈および静脈における血流の方向および速度を決定し、さらに、組織の硬さを測定するために使用され得る。実施形態において、圧力波１２２は、人間／動物の身体を通って移動し、内臓、組織、または動脈および静脈によって反射され得る音波であり得る。
【0063】
[098]実施形態において、イメージャ１２０は、ポータブルデバイスとすることができ、通信チャネル１３０を通して、無線で（８０２．１１プロトコルなどのプロトコルを使用する）、またはケーブル（ＵＳＢ２、ＵＳＢ３、ＵＳＢ３．１、ＵＳＢ－Ｃ、およびＵＳＢサンダーボルトなど）を介してデバイス１０２と信号を通信することができる。実施形態において、デバイス１０２は、セル電話もしくはｉＰａｄ（登録商標）などのモバイルデバイスとすることができ、または画像をユーザに表示することができる据置き型コンピューティングデバイスとすることができる。
【0064】
[099]実施形態において、２つ以上のイメージャが、ターゲット臓器の画像を創り出すために使用されてもよい。例えば、第１のイメージャはターゲット臓器に向けて圧力波を送り、一方、第２のイメージャは、ターゲット臓器から反射された圧力波を受信し、受信した波に応じて電荷を創り出すことができる。
【0065】
[0100]図２は、本開示の実施形態によるイメージャ１２０の概略図を示す。実施形態において、イメージャ１２０は、超音波イメージャとすることができる。図２に示されるように、イメージャ１２０は、圧力波を送受信するためのトランシーバタイル２１０と、圧力波の伝搬方向を設定しおよび／または圧力波を集束させるためのレンズとして動作し、トランシーバタイルと人体１１０との間の音響インピーダンスインタフェースとしても機能する被覆層２１２と、トランシーバタイル２１０を制御するための、バンプによってトランスデューサタイル２１０に結合されたＡＳＩＣチップ（または手短にＡＳＩＣ）などの制御ユニット２０２と、イメージャ１２０の構成要素を制御するためのフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２１４と、信号を処理／調整するためのアナログフロントエンド（ＡＦＥ）などの回路２１５と、トランスデューサタイル２１０によって生成され、回路２１５に向かって伝搬する波を吸収するための音響吸収体層２０３と、１つまたは複数のポート２１６を通してデバイス１０２などの外部デバイスとデータを通信するための通信ユニット２０８と、データを格納するためのメモリ２１８と、電力をイメージャの構成要素に供給するためのバッテリ２０６と、オプションとして、ターゲット臓器の画像を表示するためのディスプレイ２１７とを含むことができる。
【0066】
[0101]実施形態において、デバイス１０２は、ディスプレイ／スクリーンを有することができる。そのような場合、ディスプレイは、イメージャ１２０に含まれなくてもよい。実施形態において、イメージャ１２０は、ポート２１６のうちの１つを通してデバイス１０２から電力を受け取ることができる。そのような場合、イメージャ１２０は、バッテリ２０６を含まなくてもよい。イメージャ１２０の構成要素のうちの１つまたは複数は、１つの一体化電気要素に組み合わされてもよいことに留意されたい。同様に、イメージャ１２０の各構成要素は、１つまたは複数の電気要素に実装されてもよい。
【0067】
[0102]実施形態において、ユーザは、人体１１０が被覆層２１２に直接接触する前に、被覆層２１２と人体１１０との間の界面におけるインピーダンス整合が改善され得る、すなわち、界面における圧力波１２２の損失が低減され、イメージャ１２０に向かって移動する反射波の損失も界面において低減されるように、人体１１０の皮膚にゲルを塗布することができる。実施形態において、トランシーバタイル２１０は、基板に装着され得、音響の吸収体層に取り付けられ得る。この層は、逆方向に放出される超音波信号を吸収し、そうでなければ、超音波信号は、反射され、画像の品質に干渉することがある。
【0068】
[0103]以下で論じるように、被覆層２１２は、トランスデューサから身体へのおよびその逆の音響信号の送信をただ最大化するために、単に平坦な整合層であってもよい。ビーム合焦は、この場合、制御ユニット２０２において電子的に実施され得るので必要とされない。イメージャ１２０は、反射された信号を使用して臓器１１２の画像を作り出すことができ、結果は、臓器１１２の画像の有無にかかわらず示されるグラフ、プロット、および統計データなどの様々なフォーマットでスクリーンに表示され得る。
【0069】
[0104]実施形態において、制御ユニット２０２、例えば、ＡＳＩＣなどは、トランシーバタイルと一緒に１つのユニットとして組み立てられてもよい。他の実施形態では、制御ユニット２０２は、イメージャ１２０の外に配置され、トランシーバタイル２１０にケーブルを介して電気的に結合されてもよい。実施形態において、イメージャ１２０は、構成要素２０２～２１５を密閉するハウジングと、構成要素によって生成される熱エネルギーを放散させるための熱放散機構とを含むことができる。
【0070】
[0105]図３Ａは、本開示の実施形態によるトランシーバアレイ２００の側面図を示す。図３Ｂは、本開示の実施形態によるトランシーバタイル２１０の上面図を示す。実施形態において、アレイ２００は、１つまたは複数のトランシーバタイル２１０を含むことができる。図示のように、トランシーバアレイ２００は、所定の方法で配置された１つまたは複数のトランシーバタイル２１０を含むことができる。例えば、図３Ａに示されるように、トランシーバタイル（または手短にタイル）２１０は、湾曲したトランシーバアレイをさらに形成するために物理的に曲げられ、イメージャ１２０に配置され得る。イメージャ１２０は、任意の適切な数のタイルを含んでもよく、タイルは、任意の適切な方法で配置されてもよく、各タイル２１０は、トランシーバ基板３０４上に配置される、本明細書でより詳細に説明するような凹形状または凸形状を有する任意の適切な数の圧電素子３０２を含んでもよいことが当業者には明らかであるはずである。基板３０４上に、１つまたは多数の温度センサ３２０が、動作中のトランシーバタイル２１０の温度をモニタするために配置され得る。実施形態において、トランシーバアレイ２００は、基板から製作された微細加工アレイとすることができる。
【0071】
[0106]図４Ａは、本開示の実施形態によるＭＵＴ４００の断面図を示す。図４Ａの断面図は、本開示の実施形態による凹状ＭＵＴまたは凸状ＭＵＴに適用可能である。図示のように、凹状または凸状ＭＵＴは、基板４０２から架けられたメンブレン層４０６と、メンブレン層（または手短にメンブレン）４０６上に配置された第１の（例えば、下部）電極（Ｏ）４０８と、下部電極（Ｏ）４０８上に配置された圧電層４１０と、圧電層４１０上に配置された第２の（例えば、上部）電極（Ｘ）４１２とを含むことができる。
【0072】
[0107]実施形態において、基板４０２およびメンブレン４０６は、１つの一体構造本体とすることができ、空洞４０４は、メンブレン４０６を画定するように形成され得る。実施形態において、空洞４０４は、メンブレン４０６の振動を制御するために、所定の圧力のガス、または音響制振材料で充填されてもよい。実施形態において、上部電極４１２の投影区域の幾何学的形状は、ＭＵＴ４００の動的性能およびキャパシタンスの大きさを制御するために、固有幾何学的パラメータを有する概ね凹形状または凸形状で構成され得る。
【0073】
[0108]実施形態において、各ＭＵＴ４００は、ｐＭＵＴとすることができ、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｉ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成された圧電層を含むことができる。代替の実施形態では、各ＭＵＴ４００はｃＭＵＴとすることができる。
【0074】
[0109]実施形態において、各ＭＵＴ４００は、追加の電極および／またはＰＺＥ層を含むことができる。例えば、図４Ｆに示されるように、ＭＵＴ４００（凹状であれ、凸状であれ、所望に応じてそれ以外に成形されたものであれ）は、基板４０２から架けられたメンブレン層４０６と、メンブレン層（または手短にメンブレン）４０６上に配置された第１の電極（Ｏ）４０８と、第１の電極（Ｏ）４０８上に配置された第１の圧電層４１０と、第１の圧電層４１０上に配置された第２の電極４１４と、第２の電極４１４上に配置された第２の圧電層４１０と、第２の圧電層４１０上に配置された第３の電極（Ｘ）４１２とを含むことができる。追加の圧電層４１０および電極は、所望に応じて追加され得る。少なくともいくつかの事例では、追加の圧電層および／または電極を追加すると（すなわち、電極と圧電層を「挟むと」）、ＭＵＴ４００の振幅／ｄＢ出力が増加する。
【0075】
[0110]図４Ｂ～図４Ｅおよび図４Ｇ～図４Ｈにおいて、各ＭＵＴ４００は、凹形状または凸形状のいずれかを有するように示される。実施形態において、各凹状ＭＵＴは、ＭＵＴ４００の上面から見たときに凹形状を有する上部電極を含むことができる。実施形態において、各凸状ＭＵＴは、ＭＵＴ４００の上面から見たときに凸形状を有する上部電極を含むことができる。以下、上部電極４１２の形状という用語は、上部電極をｘｙ平面上に投影することによって得られる上部電極の２次元形状を指す。さらに、上部電極の形状は、形状が２つのライン４５０および４５２に対して対称である場合に対称と呼ばれ、ライン４５０および４５２は、それぞれ、ｘ軸およびｙ軸に平行であり、ｘ軸上の上部電極の中間点を通過する。さらに、以下、本明細書では長軸とも呼ばれるｘ軸は、上部電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる。本明細書では短軸とも呼ばれるｙ軸は、ｘｙ平面内のｘ軸または長軸に対して垂直な方向に沿って、上部電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる。
【0076】
[0111]図４Ｂ～図４Ｃおよび図４Ｇ～図４Ｈの凹状ＭＵＴであれ、図４Ｄ～４Ｅの凸状ＭＵＴであれ、上部電極の形状は長軸および短軸によって画定され、長軸および短軸は原点で交差する。上部電極の両方の遠位端、すなわち、長軸の方向において原点から最も遠い上部電極の端部は、本明細書では電極の「頭部」とも呼ばれ、曲率半径Ｒによって画定される。本明細書では電極の「足部（ｆｏｏｔ）」とも呼ばれる上部電極の固有半値幅は、原点から、短軸の方向に（すなわち、長軸に対して垂直に）、電極外縁部または外周まで測定された長さＬによって定義される。電極の最も狭い点（凹状ＭＵＴの場合）または最も広い点（凸状ＭＵＴの場合）のいずれかにおける電極の全幅は、Ｌの２倍（すなわち、２Ｌ）である。電極の頭部と足部との間の電極の縁部は、湾曲または直線とすることができる。
【0077】
[0112]代替として、電極の頭部は、直線あってもよく、または完全に円形ではない他の曲率形状で画定されてもよい。少なくともいくつかの事例では、頭部（または例えば足部）が鋭い点に収束する２つの直線によって定義される場合に作り出される可能性があるものなどの局所的な機械的または材料的故障モードを可能にする可能性がある機械的応力の集中した局所区域を作り出す頭部または他の形状を避けることは有益であり得る。
【0078】
[0113]いくつかの実施形態では、頭部は、円形である必要はないが、さらに、限定ではなく、放物線の曲率などの非円形の曲率によって画定されてもよい。円形電極頭部は、曲率半径Ｒによって画定され得るが、放物線形の頭部の関連パラメータは、放物線焦点と頂点との間の距離の２倍として定義される放物線の半直弦とすることができる。さらに、頭部と足部との間の周囲は、直線または曲率のいずれかによって画定されてもよく、依然として本発明の範囲内にある。
【0079】
[0114]図４Ｂ～図４Ｃおよび図４Ｇ～図４Ｈに示されるように、固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より大きい場合、上部電極は、中央部または足部の幅と比較して、端部または頭部においてより広く、電極は概ね凹状の形状を有する。当業者なら理解するように、Ｒ／Ｌが１より大きい、すなわち、Ｒ＞Ｌである限り、Ｒ／Ｌ比を変更することによって、この凹状ＭＵＴ形状の変形が可能であり、依然として本開示の範囲内にある。例えば、４３マイクロメートルの頭部曲率半径Ｒを有する上部電極では、約３７～４１マイクロメートルの適切な足部幅Ｌは、本開示の範囲内にあり、本明細書においてさらに説明されるように、基本周波数および高調波周波数で駆動されたときに向上した圧力振幅および周波数応答挙動を示す。他方、Ｒ／Ｌが大きすぎ、それによって、頭部半径または曲率Ｒが足部幅Ｌよりもはるかに大きい場合、上部電極は、基本周波数および高調波周波数で駆動されたときに所望の圧力振幅および周波数応答挙動を示さない可能性があり、構造的故障を経験することさえあり得る。
【0080】
[0115]図４Ｄ～図４Ｅに示されるように、固有幅に対する曲率半径の比Ｒ／Ｌが１より小さい場合、上部電極は、中央部の幅と比較して、端部においてより狭く、電極は概ね凸状の形状を有する。当業者なら理解するように、Ｒ／Ｌが１より小さい、すなわち、Ｒ＜Ｌである限り、Ｒ／Ｌ比を変更することによって、この凸状ＭＵＴ形状の変形が可能であり、依然として本開示の範囲内にある。例えば、４３マイクロメートルの頭部曲率半径Ｒを有する上部電極では、約４３．１～５００マイクロメートルの適切な足部幅Ｌは、本開示の範囲内にあり、本明細書でさらに説明されるように、基本周波数および高調波周波数で駆動されたときに向上した圧力振幅および周波数応答挙動を示す。他方、Ｒ／Ｌが小さすぎ、それによって、頭部半径または曲率Ｒが足部幅Ｌよりもはるかに小さい場合、上部電極は、基本周波数および高調波周波数で駆動されたときに望ましくない圧力振幅および周波数応答挙動から悪い影響を受け、構造的故障を経験することさえあり得る。
【0081】
[0116]凹状または凸状の形状で構成されているかどうかにかかわらず、特定のＲ／Ｌ値をもつ電極または特定のＲ／Ｌ値範囲内の電極は、基本周波数および高調波周波数で駆動されたとき、特定の先行する電極形状設計と比べて、望ましい圧力振幅および周波数応答挙動を示す。軸に沿った凹状または凸状電極の面密度分布は、複数の極大値を有し、複数の極大値の場所は、振動共振周波数における複数の反節点が位置づけられる場所と一致する。一般に、ある周波数で各ＭＵＴによって生成される音圧波のエネルギーを指す音圧性能は、その周波数でＭＵＴのピーク振幅が増加するとともに増加し得る。
【0082】
[0117]この比またはＲ／Ｌは、ＭＵＴの所望の挙動によって決められ得る。電極のＲ／Ｌパラメータ（それゆえに、電極の形状）を変えると、電極の圧力振幅および周波数応答挙動が変更される。Ｒ／Ｌは、電極が所望の圧力振幅および／または周波数応答挙動を示す限り、制限なく大きくても小さくてもよい。トランスデューサ最終ユースケース（例えば、工業用、医療診断、など）、パワー要件、動作モード要件、などのような要因によって規定され得る特定のトランスデューサの設計要件は、特定のＲ／Ｌ形状によって示される圧力振幅および周波数応答が許容可能かまたは望ましいかどうかを知らせる。製造および材料性能などの追加の考慮事項が、望ましいかまたは利用可能な範囲の許容可能なＲ／Ｌ範囲をさらに制限することがある。
【0083】
[0118]図４Ｇは、多数の圧電層をもつＭＵＴの断面図を示す。この断面図は、ＭＵＴデバイスの基板から最も遠い（例えば、最大垂直距離またはｚ距離の）電極を示す。上部（例えば、ＭＵＴの上方の、ここで、ＭＵＴは観察者から負のｚ方向にある）から見たとき、最上部のＭＵＴ電極は凹形状を有する。この実施形態では、上部電極の下の電極の層が視野から隠されているが、電極のすべてが同じ形状を有することができる。この実施形態では、少なくとも上部電極は、ｘ軸およびｙ軸に関して対称である。他の実施形態では、上部電極の下に配置される電極は異なるサイズを有してもよい。他の実施形態では、上部電極の下に配置される電極は異なる形状を有してもよい。
【0084】
[0119]電極設計が高周波において性能の改善をもたらすことができるかどうかを評価するために、本開示は電極アスペクト比を定義する。アスペクト比パラメータは、比Ｒ／Ｌに関連し、固有半値幅の２倍（またはＬの２倍）に対する電極の長さ（上部頭部の先端から下部頭部の基部までの長さ）の比として定義される。本明細書に開示される実施形態に関して、図４Ｇの凹状の実施形態はアスペクト比７を有し、図４Ｄの凸状の実施形態はアスペクト比３を有し、図４Ｂの凹状の実施形態はアスペクト比５を有する。一般に、より大きいアスペクト比は、高周波における性能の向上と相関する可能性がある。
【0085】
[0120]電極がその半径に等しい固有半値幅Ｌを有する場合、電極は、凸状または凹状ではなくスタジアム形であり得る。所与の長さの電極は、凹状電極としてより高いアスペクト比を有し、スタジアム形の電極として中間のアスペクト比を有し、凸状電極としてより低いアスペクト比を有することになる。アスペクト比の使用は、より長い凸状電極または電極のセットが、より短い凹状の電極と同様の性能を達成することができる可能性があることを示唆する。逆に、より小さい凹状電極が、より大きい凸状電極の代わりに使用され得る可能性がある。
【0086】
[0121]図４Ｈは、半径Ｒおよび固有半値幅が見えるように表示された図４Ｇの断面のサブセクションを示す。図４Ｃのように、Ｒの値はＬの値よりも大きい。
[0122]図５Ａ～図５Ｂは、本開示の実施形態による、凹状構成を有するＭＵＴおよび凸状構成を有するＭＵＴの音響応答の例示的な理想化されたプロット５００および５１０を示す。図５Ａは、Ｒ／Ｌ＝１のＭＵＴ５０２と比較して、凹状ＭＵＴ５０４（例えば、Ｒ／Ｌ＞１）では音響パワーが周波数とともにどのように変化するかの理想化されたプロット５００を示す。図５Ｂは、Ｒ／Ｌ＝１のＭＵＴ５１２と比較して、凸状ＭＵＴ５１４（例えば、Ｒ／Ｌ＜１）では音響パワーが周波数とともにどのように変化するかの理想化されたプロット５１０を示す。凹状ＭＵＴ５０４では、矢印５０６によって示されるように、Ｒ／Ｌが増加するにつれて、パワー－周波数曲線は、ＭＵＴ５０２と比較して右にシフトする。凸状ＭＵＴ５１４では、矢印５１６によって示されるように、Ｒ／Ｌが減少するにつれて、パワー－周波数曲線は、ＭＵＴ５１２と比較して上方にシフトする。
[0122]図５Ａ～図５Ｂは、本開示の実施形態による、凹状構成を有するＭＵＴおよび凸状構成を有するＭＵＴの音響応答の例示的な理想化されたプロット５００および５１０を示す。図５Ａは、Ｒ／Ｌ＝１のＭＵＴ５０２と比較して、凹状ＭＵＴ５０４（例えば、Ｒ／Ｌ＞１）では音響パワーが周波数とともにどのように変化するかの理想化されたプロット５００を示す。図５Ｂは、Ｒ／Ｌ＝１のＭＵＴ５１２と比較して、凸状ＭＵＴ５１４（例えば、Ｒ／Ｌ＜１）では音響パワーが周波数とともにどのように変化するかの理想化されたプロット５１０を示す。凹状ＭＵＴ５０４では、矢印５０６によって示されるように、Ｒ／Ｌが増加するにつれて、パワー－周波数曲線は、ＭＵＴ５０２と比較して右にシフトする。凸状ＭＵＴ５１４では、矢印５１６によって示されるように、Ｒ／Ｌが減少するにつれて、パワー－周波数曲線は、ＭＵＴ５１２と比較して上方にシフトする。
【0087】
[0123]メンブレン（例えば、シリコンメンブレン）の厚さを変更すること、またはメンブレンの周囲に単一または二重ノッチを追加する（メンブレンが片持ち梁ではなくピン留めされた梁またはばねのようにさらに振る舞うように）ことを含む凹状または凸状ＭＵＴ形状へのさらなる修正は、さらに向上した性能特性を提供することができる。そのような修正の例は、米国特許出願第１７／０１８，３０４号および第１５／８２０，３１９号に見いだされ得、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【0088】
[0124]図６Ａ～図６Ｃは、本開示の実施形態による３つの振動モード６００、６１０、および６２０を示す。図６Ａ～図６Ｃにおいて、ＭＵＴ６０２、６１２、および６２２の各々は、凹状であろうと凸状であろうと、例証のために単一のラインで表され、各々の単一のラインは、ＭＵＴにおける層のスタックの曲率を示す。動作中、メンブレン４０６、下部電極４０８、圧電層４１０、および上部電極４１２を有する層のスタックは、単一の本体として垂直方向に移動することができ、ｘｚ面上で単一のラインの曲率を有するように変形され得る。さらに、異なる振動モードに対応するライン６０２、６１２、および６２２は、異なる振動モードにおけるスタックの曲率を示す。一般に、凹状ＭＵＴおよび凸状ＭＵＴの共振特性は互いに類似しているが、局所的な利得は、ＭＵＴが凹状であるか凸状であるかに応じて変化することがある。いくつかの事例では、凸状の形状または凹状の形状の選択により、対象の特定の周波数において達成される利得改善が促進され得る。
【0089】
[0125]実施形態において、３つの振動モード６００、６１０、および６２０は、それぞれ、３つの振動共振周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３に関連づけられ得る。図６Ａ～図６Ｃにおいて、３つの振動モードのみが示されている。しかしながら、凹状または凸状ＭＵＴは、４つ以上の振動共振モード（または手短に振動モード）で動作することができることが当業者には明らかであるはずである。
【0090】
[0126]図６Ａにおいて、凹状または凸状ＭＵＴ６０２は、第１の振動モード６００で動作することができ、矢印６０４は、ＭＵＴ６０２（より具体的には層のスタック）が第１のモード６００では垂直方向に移動することを示す。実施形態において、第１の振動モード６００は、対称であり得る、すなわち、モード形状は、ＭＵＴの中心線６０６に対して対称である。実施形態において、ＭＵＴ６０２の上部電極の形状は、対称であり得、図４Ｂ～図４Ｅに示されるように、凹状または凸状のいずれかであり得る。
【0091】
[0127]図６Ｂにおいて、ＭＵＴ６１２は、第２の振動モード６１０で動作することができる。実施形態において、第２の振動モード６１０は、対称であり得る、すなわち、モード形状は、中心線６０６に対して対称である。以下、対称振動モードという用語は、６１５、６１６、および６１７などの反節点（すなわち、ピーク振幅）の場所が、中心線６０６に対して対称に配置される振動モードを指し、中心線６０６は、ｚ軸に平行であり、ｘ軸上のＭＵＴの中間点を通過する線を表す。
【0092】
[0128]第２の振動モード６１０において、ＭＵＴ６１２は、２つの節点と、３つの反節点（または言い換えると３つのピーク振幅点）６１５、６１６、および６１７を有することができる。実施形態において、ＭＵＴ６１２の上部電極の形状は、図４Ｂ～図４Ｅに示されるように、対称であり得、凹状または凸状のいずれかであり得る。
【0093】
[0129]図６Ｃにおいて、ＭＵＴ６２２は、第３の振動モード６２０で動作することができる。実施形態において、第３の振動モード６２０は、対称であり得、すなわち、モード形状は、中心線６０６に対して対称である。第３の振動モードにおいて、ＭＵＴ６２２は、４つの節点と、５つの反節点（すなわち、５つのピーク振幅点）６２４、６２５、６２６、６２７、および６２８を有することができる。実施形態において、ＭＵＴ６２２の上部電極の形状は、図４Ｂ～図４Ｅに示されるように、対称であり得、凹状または凸状のいずれかであり得る。
【0094】
[0130]一般に、ある周波数で各ＭＵＴによって生成される音圧波のエネルギーを指す音圧性能は、その周波数でＭＵＴのピーク振幅が増加するとともに増加し得る。しかしながら、同じまたは同様の総面積の凸状ＭＵＴと比べて、凹状ＭＵＴは、中央部と比較して遠位端においてより大きい局所面積分布（すなわち、Ｒ＞Ｌ）を有する。結果として、同じまたは同様の面積の凸状ＭＵＴと比べて、凹状ＭＵＴは、特に高調波周波数において、より高い音圧振幅を出力することができる。
【0095】
[0131]図３におけるＭＵＴ３０２の各々は、圧電微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）とすることができることに留意されたい。しかしながら、トランシーバタイル２１０は容量性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）のアレイを含むことができる、すなわち、圧電素子３０２はｃＭＵＴと置き換えられてもよいことが当業者には明らかであるはずである。そのような場合、ＣＭＵＴの上部電極は、上部電極４１２の形状のうちの１つに類似する形状を有することができ、その結果、ｃＭＵＴの音響応答は、図４Ｂ～図６Ｃに関連して説明された原理に基づいて、様々な振動共振周波数において制御される。
【0096】
[0132]図７Ａは、単層ｐＭＵＴデバイスの周波数応答７２０と比較した２層ｐＭＵＴの周波数応答７１０のプロットを示す。高周波（約５メガヘルツ（ＭＨｚ）と１０メガヘルツ（ＭＨｚ）との間）において、２層ｐＭＵＴは、単一圧電層ｐＭＵＴよりも大きい音響パワー（ｄＢ単位）をもつ音波を作り出す。
【0097】
[0133]図７Ｂは、形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答７５０と比較した、形状が凹状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答７４０のプロットを示す。プロットから分かるように、凹状電極をもつｐＭＵＴは、凸状電極をもつｐＭＵＴより性能が優れており、６ＭＨｚと８ＭＨｚとの間の対象の高周波領域７６０においてより多くのパワーをもつ音波を生成する。
【0098】
[0134]図７Ｃは、形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答７６０と比較した、形状が凸状である電極を有する２層ｐＭＵＴの周波数応答７７０のプロットを示す。プロットから分かるように、２層ｐＭＵＴは、ほとんどの動作周波数において単層ｐＭＵＴより性能が優れている。本発明は様々な修正および代替形態を受け入れることができるが、その具体的な例が、図面に示されており、本明細書において詳細に説明されている。しかしながら、本発明は、開示されている特定の形態に限定されるべきではなく、それとは反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るすべての修正、均等物、および代替物を包含することができることが理解されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-20
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層であり、前記第１の圧電層が、第１の電極と第２の電極との間に配置され、前記第２の圧電層が、前記第２の電極と第３の電極との間に配置される、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層
を含み、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も狭い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌであり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも大きい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項2】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項3】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１または２に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項4】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと、
をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項5】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項１～４のいずれか一項に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項6】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層と、
Ｎ個の電極を含む複数の電極と、
を含み、
前記複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層が、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置され、前記指標ｍが、前記圧電層の垂直距離に関連づけられ、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も狭い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凹形状を有するように最大で２Ｌであり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも大きい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項7】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項６に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項8】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項６または７に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項9】
基板と、前記基板から架けられたメンブレンと
をさらに含む、請求項６～８のいずれか一項に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項10】
前記圧電層が、ＰＺＴ、ＫＮＮ、ＰＺＴ－Ｎ、ＰＭＮ－Ｐｔ、ＡＩＮ、Ｓｃ－ＡＩＮ、ＺｎＯ、ＰＶＤＦ、およびＬｉＮｉＯ３のうちの少なくとも１つから形成される、請求項６～９のいずれか一項に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項11】
Ｎ＝Ｍ＋１である、請求項６～１０のいずれか一項に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項12】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層であり、前記第１の圧電層が、第１の電極と第２の電極との間に配置され、前記第２の圧電層が、前記第２の電極と第３の電極との間に配置される、少なくとも第１の圧電層および第２の圧電層、
を含み、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も広い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍であり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも小さい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項13】
前記第１の軸は、前記第１の電極が最長寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１２に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項14】
前記第２の軸は、前記第１の電極が最短寸法を有する方向に沿って延びる、請求項１２または１３に記載の微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【請求項15】
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）であって、Ｍ個の圧電層を含む複数の圧電層と、
Ｎ個の電極を含む複数の電極と、
を含み、
前記複数の圧電層のうちの指標ｍをもつ圧電層が、指標ｍをもつ第１の電極と指標ｍ＋１をもつ第２の電極との間に配置され、前記指標ｍが、前記圧電層の垂直距離に関連づけられ、
少なくとも前記第１の電極が、第１の軸に沿って第１の端部および第２の端部を有し、
ｉ．前記第１の端部または前記第２の端部のうちの１つまたは複数が、曲率半径Ｒによって画定され、
ｉｉ．第２の軸が前記第１の軸の中間点を通過し、前記第２の軸が前記第１の軸に対して垂直であり、
ｉｉｉ．前記第１の電極の半値幅が、前記中間点から前記第２の軸の方向に前記第１の電極の外周まで測定された長さＬによって定義され、
ｉｖ．前記第１の軸に沿った前記第１の電極の最も広い点における前記第１の電極の全幅は、前記第１の電極が凸形状を有するようにＬの少なくとも２倍であり、
ｖ．Ｒ／Ｌが１よりも小さい、
微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）。
【国際調査報告】