改善された音響性能を有する超音波トランスデューサ
【課題】音響アーティファクトを減少させる。
【解決手段】音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサ（１０６）の音響性能を改善するシステムは、音響素子のアレイを有する音響層（１４６）と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層（１５２）と、デマッチング層に結合されており基材（１５８）及び複数の伝導性素子（１６０）を含む介在層（１５４）とを含んでいる。介在層（１５４）は、デマッチング層（１５２）の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有するように形成される。超音波トランスデューサ（１０６）はまた、介在層（１５４）に結合されておりデマッチング層（１５２）及び介在層（１５４）を通して音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続されている集積回路（１５６）を含んでいる。
【解決手段】音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサ（１０６）の音響性能を改善するシステムは、音響素子のアレイを有する音響層（１４６）と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層（１５２）と、デマッチング層に結合されており基材（１５８）及び複数の伝導性素子（１６０）を含む介在層（１５４）とを含んでいる。介在層（１５４）は、デマッチング層（１５２）の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有するように形成される。超音波トランスデューサ（１０６）はまた、介在層（１５４）に結合されておりデマッチング層（１５２）及び介在層（１５４）を通して音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続されている集積回路（１５６）を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、超音波トランスデューサに関し、さらに具体的には、音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサの音響性能を改善する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサ（すなわち超音波プローブ）は医用撮像に応用されており、患者に音響プローブを押圧してプローブが超音波を送受波する。すると、受信されたエネルギが患者の体内組織の画像化を容易にすることができる。例えば、トランスデューサを用いて患者の心臓を撮像することができる。経食道検査装置、腹腔鏡検査装置及び心内検査装置等のような体内型装置での利用を可能にするために、超音波トランスデューサの寸法を最小にすることが益々望ましくなっている。かかる応用は要求が非常にに厳しく、極く小型でありながら多量の情報を収集し得るトランスデューサ・パッケージが必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波トランスデューサは典型的には、一次元又は二次元（２Ｄ）アレイに配列された多数の音響積層体を有している。各々の音響積層体がトランスデューサの内部の素子に対応しており、トランスデューサは、２Ｄアレイに配列された数千個等のように多数の音響積層体を内部に有し得る。２Ｄ音響アレイを有する超音波トランスデューサの占める空間及び電気キャパシタンスを最小にするためには、送受信ビームフォーミングに必要な電子回路に音響素子を直接接合することが好ましい。２Ｄ音響アレイ素子を関連するビームフォーミング電子回路に取り付ける単純な方法は、はんだ球、金スタッド・バンプ及びめっきポスト等のような従来の方法を用いてこれら二つの構成要素を直接接着することである。しかしながら、この接続方法ではアレイからの音波エネルギが電子回路の内部にまで伝播し、音波スペクトルの内部にアーティファクトが生じて最終的に医用診断画像の画質を低下させる。すなわち、電子的構成要素は典型的にはシリコン・ウェーハを用いて製造されるため、比較的低い音響減衰を有する。従って、音響アレイ（２Ｄアレイ等）がシリコン基材に直接取り付けられると、送信時に発生される音波エネルギの幾分かがシリコン基材の内部まで伝播する。この音波エネルギはシリコン基材の内部で最小損失で反響し、音響アレイに帰投して長いリングダウン（ring-down）アーティファクト及び他の音響アーティファクトを招き得る。これらのアーティファクトは、医用診断撮像に有用とされるもののような音波画像の画質を低下させる。
【０００４】
音響アーティファクトは、音響アレイとシリコン電子回路との間に高音響インピーダンス層（すなわち「デマッチング（整合分離）層」）を配置することにより減少させることができる。かかるデマッチング層を音響アレイの背面側に用いると、デマッチング層の裏面の層（すなわちビームフォーミング電子回路）のインピーダンスを変化させ、従ってインピーダンス差を増大させることにより、これらのアーティファクトを大幅に減少させることは周知である。しかしながら、高インピーダンスのデマッチング層自体は、好ましい画質を提供するのに十分なだけこれらのアーティファクトを減少させる訳ではない。すなわち、デマッチング層をシリコン（ビームフォーミング電子回路のシリコン基材等）に取り付けてもシリコン自体がかなり高い音響インピーダンス及び低い音響損失を有するので、デマッチング層の音響アーティファクトを減少させる能力は相対的に顕著でない。このように、最適な音響撮像を提供するためには改善された音響構造が必要である。
【０００５】
従って、音響アーティファクトを減少させる改善された音響性能を有する超音波トランスデューサを設計することが望ましい。さらに、かかる超音波トランスデューサの体内型超音波プローブとしての利用を可能にするように最小寸法を保つことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサの音響性能を改善する方法及び装置に関するものである。この装置は、トランスデューサ素子のアレイをビームフォーミング電子回路パッケージに結合する介在（interposer）層を含んでいる。
【０００７】
本発明の一観点によれば、超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、デマッチング層に結合されており基材及び複数の伝導性素子を含む介在層とを含んでおり、介在層はデマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する。この超音波トランスデューサはまた、介在層に結合されておりデマッチング層及び介在層を通して音響素子のアレイに電気的に接続されている集積回路を含んでいる。
【０００８】
本発明のもう一つの観点によれば、超音波トランスデューサを製造する方法が、介在層を設けるステップと、介在層に複数のビアを形成するステップと、ビアの内部に導電性材料を追加するステップと、音響層をデマッチング層に結合するステップとを含んでおり、デマッチング層は、音響層の音響インピーダンスよりも高く介在層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する。この方法はまた、介在層をデマッチング層に結合するステップと、ビームフォーミング電子回路パッケージを介在層に結合するステップとを含んでおり、ビームフォーミング電子回路パッケージは、複数の接続パッドを形成されて有し、介在層を経由して音響層に電気的に結合される。
【０００９】
本発明のさらにもう一つの観点によれば、侵襲型プローブ用に構成された超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、音響層に信号を送り音響層から信号を受けるように構成されており複数の接続パッドを形成されて有するビームフォーミング電子回路とを含んでいる。この超音波トランスデューサはまた、デマッチング層に結合された介在層を含んでおり、介在層はさらに、デマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有し複数のビアを形成されて有する非導電性基材と、ビームフォーミング電子回路を音響層に電気的に接続するように構成されており、複数のビアを通して延在する複数の導電性経路を有する第一の接続領域と、ビームフォーミング電子回路を信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に電気的に接続するように構成されている第二の接続領域とを含んでいる。
【００１０】
他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面は、本発明を実施するために現状で思量される好適実施形態を示す。
【図１】超音波システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波データを取得するように構成され得るトランスデューサを有する小型超音波システムの図である。
【図３】本発明の一実施形態による図１の超音波システム用のトランスデューサ・アセンブリの実施形態の一例の遠近図である。
【図４】本発明の一実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図５】本発明のもう一つの実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図６】本発明のもう一つの実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態によるトランスデューサ・アセンブリの段階的形成を示す一連の断面模式図である。
【図８】本発明の一実施形態によるトランスデューサ・アセンブリ、介在層及びビームフォーミング電子回路の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、超音波トランスデューサ１０６の内部の素子１０４（すなわちトランスデューサ素子）のアレイを駆動して体内にパルス型超音波信号を放出する送波器１０２を含む超音波システム１００を示している。素子１０４の各々が、音響積層体（図３に示す）に対応している。素子１０４は、例えば一次元又は二次元で配列されていてよい。多様な幾何学的構成を用いることができる。各々の超音波トランスデューサ１０６は、所定の中心動作周波数及び帯域幅を有している。超音波信号は脂肪組織又は筋組織のような身体の構造から後方散乱されてエコーを発生し、エコーは素子１０４に帰投する。エコーは受波器１０８によって受波される。受波されたエコーはビームフォーミング電子回路１１０を通過し、ビームフォーミング電子回路１１０はビームフォーミングを実行してＲＦ信号を出力する。次いで、ＲＦ信号はＲＦプロセッサ１１２を通過する。代替的には、ＲＦプロセッサ１１２は、ＲＦ信号を復調してエコー信号を表わすＩＱデータ対を形成する複素復調器（図示されていない）を含み得る。次いで、ＲＦ信号データ又はＩＱ信号データをメモリ１１４に直接送って記憶させることができる。
【００１３】
超音波システム１００はまた、取得された超音波情報（例えばＲＦ信号データ又はＩＱデータ対）を処理して、表示器１１８での表示のために超音波情報のフレームを作成するプロセッサ・モジュール１１６を含んでいる。プロセッサ・モジュール１１６は、取得された超音波情報に対し複数の選択可能な超音波モダリティに応じて１又は複数の処理演算を実行するように構成されている。取得された超音波情報を、エコー信号が受信されるのに伴って走査セッション中に実時間で処理して表示することができる。加えて、又は代替的には、超音波情報を走査セッション中にはメモリ１１４に一時的に記憶させ、次いでオフライン動作として処理して表示してもよい。
【００１４】
プロセッサ・モジュール１１６は、以下でさらに詳細に説明するように、プロセッサ・モジュール１１６の動作を制御し得るユーザ・インタフェイス１２４に接続されている。表示器１１８は、診断及び解析のために利用者に提供される診断用超音波情報を含む患者情報を提示する１又は複数のモニタを含んでいる。メモリ１１４及びメモリ１２２の一方又は両方が超音波データの三次元（３Ｄ）データ集合を記憶することができ、かかる３Ｄデータ集合にアクセスして２Ｄ画像及び３Ｄ画像を提示する。また、多数の連続した三次元データ集合を経時的に取得して記憶することができ、実時間の３Ｄ表示又は４Ｄ表示等を提供することができる。これらの画像を、ユーザ・インタフェイス１２４を用いて修正することができ、また表示器１１８の表示設定を手動で調節することができる。
【００１５】
図２は、３Ｄ超音波データを取得するように構成され得るトランスデューサ１３２を有する３Ｄ対応小型超音波システム１３０を示す。例えば、図１の超音波トランスデューサ１０６に関して上で述べたように、トランスデューサ１３２はトランスデューサ素子１０４の２Ｄアレイを有し得る。ユーザ・インタフェイス１３４（一体型表示器１３６も含み得る）が設けられて、操作者からの指令を受け取る。本書で用いられる「小型」との用語は、超音波システム１３０がハンド・ヘルド型若しくはハンド・キャリー型の装置であるか、又は人の手、ポケット、ブリーフケース大の鞄若しくは背嚢で運搬されるように構成されていることを意味する。例えば、超音波システム１３０は、典型的なラップトップ型コンピュータの寸法、例えば厚み約２．５インチ、幅約１４インチ及び高さ約１２インチの寸法を有するハンド・キャリー型装置であってよい。超音波システム１３０は約１０ポンドの重量であってよく、このため操作者によって容易に持ち運び可能である。また、一体型表示器１３６（例えば内部表示器）が設けられ、医用画像を表示するように構成されている。
【００１６】
超音波データは、有線網若しくは無線網１４０（又は例えばシリアル・ケーブル、パラレル・ケーブル若しくはＵＳＢポートを介した直接接続）を介して外部装置１３８に送信され得る。幾つかの実施形態では、外部装置１３８は表示器を有するコンピュータ又はワークステーションであってよい。代替的には、外部装置１３８は、ハンド・キャリー型超音波システム１３０から画像データを受け取ることが可能であり、一体型表示器よりも高い分解能を有し得る画像を表示し又は印刷し得るような別個の外部表示器又はプリンタであってもよい。
【００１７】
もう一つの例として、超音波システム１３０は３Ｄ対応のポケット・サイズ型超音波システムであってよい。例として述べると、ポケット・サイズ型超音波システムは幅約２インチ、長さ約４インチ、及び厚み約０．５インチで、重量が約３オンス未満であってよい。ポケット・サイズ型超音波システムは、表示器、ユーザ・インタフェイス（すなわちキーボード）、及びトランスデューサとの接続のための入出力（Ｉ／Ｏ）ポートを含み得る（全て図示されていない）。尚、異なる寸法、重量及び消費電力を有する小型超音波システムに関連して様々な実施形態を具現化し得ることを特記する。
【００１８】
ここで図３を参照すると、超音波トランスデューサ１０６（図１）及び／又はトランスデューサ１３２（図２）に組み入れられるトランスデューサ・アセンブリ１４２の実施形態の一例の遠近図が本発明の一実施形態に従って示されている。トランスデューサ・アセンブリ１４２は、所望の素子間隔又はピッチ１４５による隔設関係に形成されており複数の層を含む音響積層体として形成されているトランスデューサ素子のアレイ１４４を含むものとして示されている。各々のトランスデューサ素子１４４には音響層１４６又は音響素子が含まれており、音響素子のアレイがトランスデューサ・アセンブリ１４２に設けられている。音響層１４６は第一の表面及び第二の表面を有し、第二の表面は第一の表面の裏面に位置する。一実施形態では、第一の表面は上面を含み、第二の表面は底面を含み得る。
【００１９】
認められるように、音響層１４６は、音波エネルギを発生して患者（図示されていない）の体内に送波し、患者から後方散乱音響信号を受波して画像を作成して表示するように構成され得る。音響層１４６は、当技術分野で公知のように、上面及び底面に電極（図示されていない）を含み得る。音響層１４６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミック、圧電複合材料、圧電単結晶又は圧電ポリマーで形成されていてよい。幾つかの実施形態では、音響層１４６は上述の材料の多数の層を含み得ることが特記され得る。さらに具体的には、一実施形態では、音響層１４６は同じ材料の多数の層を含んでいてよく、もう一つの実施形態では、音響層１４６は異なる材料の多数の層を含んでいてよい。
【００２０】
図３に示すように、各々のトランスデューサ素子１４４が、音響層１４６の第一の表面に配設された少なくとも一つのマッチング（整合）層を含み得る。少なくとも一つのマッチング層は、音響層１４６の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有するように構成され得ることが特記され得る。例えば、少なくとも一つのマッチング層の音響インピーダンスは約２MRayl〜約１５MRaylの範囲にあってよく、音響層１４６の音響インピーダンスは約３MRayl〜約３５MRaylの範囲にあってよい。
【００２１】
一実施形態では、第一のマッチング層１４８が、当該層自体上面及び底面を有し、音響層１４６の第一の面に配設され得る。認められるように、第一のマッチング層１４８は、高インピーダンスのトランスデューサ素子と、例えば低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。現在思量される構成では、第一のマッチング層１４８は、充填エポキシ、金属含浸グラファイト、又はガラス・セラミックスを含み得る。
【００２２】
現在思量される構成では、各々のトランスデューサ素子１４４はまた、上面及び底面を有し第一のマッチング層１４８の上面に配設された第二のマッチング層１５０を含み得る。第一のマッチング層１４８に関して特記されたように、第二のマッチング層１５０も、高インピーダンスのトランスデューサ素子と低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。また、第一のマッチング層１４８に関して前述したように、現在思量される構成では、第二のマッチング層１５０は、無充填エポキシ、又はポリスルホン若しくはポリスチレンのようなプラスチックを含み得る。第一及び第二のマッチング層１４８、１５０がトランスデューサ素子１４４に含まれるように示されているが、さらに少数又は多数のマッチング層を用いてよいことが認められる。このようなものとして、単一のマッチング層を用いることもできるし、第一及び第二のマッチング層に第三及び第四のマッチング層を加えることもできる。
【００２３】
一実施形態によれば、第一のマッチング層１４８は導電性材料で構成される。第二のマッチング層１５０は第一のマッチング層１４８に連続した層として施工され、当該層の底面に導電性薄膜１５１を含んでいる。このように、連続した第二のマッチング層１５０（及び導電性薄膜１５１）は、トランスデューサ素子１４４の各々に電気的接地接続を提供する。もう一つの実施形態によれば、第一のマッチング層は非導電性であり、当該層の底面に形成された導電層を有し、このようにして連続した層として形成され得ることが認められる。さらに、実施形態の一例によれば、第二のマッチング層１５０の上面にシリコン又はポリウレタンのような表面仕上げ材（図示されていない）を載置して、患者と共に用いられるトランスデューサ・アセンブリ１４２を構成し得ることが認められる。
【００２４】
さらに図３に示すように、各々のトランスデューサ素子１４４は、音響層１４６の底面に隣接して配設されたデマッチング層１５２を含み得る。デマッチング層１５２は音響層１４６の底面に配設されて音響層１４６に結合されている。デマッチング層１５２は、音響層１４６の音響インピーダンスよりも実質的に高いインピーダンスを有する材料を用いて構築され得る。例えば、音響層１４６の音響インピーダンスは約３MRayl〜約３５MRaylの範囲にあってよく、デマッチング層１５２の音響インピーダンスは約６０MRayl〜約１００MRaylの範囲にあってよく、好ましくは約７０MRaylよりも高い。幾つかの実施形態では、高インピーダンス材料は炭化タングステンで形成され得るが、タングステン、タンタル、又は同様の音響インピーダンスを有する他の材料を用いてもよいことが認められる。デマッチング層１５２は音響インピーダンス変換器として作用し、音響層１４６の後面に現われる（又は後面が経験する）実効音響インピーダンスを、音響層１４６のインピーダンスよりも実質的に高い値まで顕著に上昇させる。結果として、音波エネルギの大半が音響層１４６の前面から反射される。
【００２５】
デマッチング層１５２の底面（及び音響積層体１４４の底面）に介在層１５４が結合されており、介在層１５４は、超音波トランスデューサ１０６（図１）のトランスデューサ・アセンブリ１４２に含まれてビームフォーミングを実行するように構成されている集積回路１５６（すなわち「ビームフォーミング電子回路」）に各々のトランスデューサ素子１４４の音響層を結合して作用するように構成されている。介在層１５４は低音響インピーダンスの材料で形成される。介在層１５４及び集積回路１５６の組み合わせは、デマッチング層１５２の背面に加わる音響負荷として作用する。デマッチング層１５２は音響インピーダンス変換器として作用し、これにより音響層素子１４６の背面に対する音響負荷の変換後のインピーダンスを与える。介在層が存在しなければ、音響層の背面に与えられる音響インピーダンスは、介在層が存在する場合よりも低い。低音響インピーダンスの介在層１５４を含むことにより、音響素子は音響層１４６の前面からさらに多くの音波エネルギを反射し、これによりトランスデューサ・アセンブリ１４２の音響アーティファクトを減少させる。デマッチング層１５２とビームフォーミング電子回路１５６との間に低音響インピーダンス材料で形成されている介在層１５４を配置すると、ビームフォーミング電子回路１５６の実効音響インピーダンスが顕著に上昇し、これにより音響層１４６の前面／上面から音波エネルギの大半を反射して、トランスデューサ・アセンブリ１４２における音響アーティファクトの存在を減少させる。
【００２６】
実施形態の一例によれば、介在層１５４は、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する非導電性有機基材１５８で形成されている。有機基材１５８は、例えばKapton（登録商標）ポリイミドのようなポリイミドで構成されていてよい。また、介在層１５４には基材１５８を通して延在する複数の伝導性素子１６０が含まれており、ビームフォーミング電子回路１５６とデマッチング層１５２との間に（及び引き続き音響層１４６まで）電気的接続又は経路を設ける。図３に示すように、伝導性素子１６０の間隔又はピッチは、ビームフォーミング電子回路１５６の上の相互接続パッド１６１と各々のトランスデューサ素子１４４との間に電気的接続が形成されるようなものとなっている。
【００２７】
介在層１５４が薄いとデマッチング層１５２及び／又はビームフォーミング電子回路１５６での超音波の捕捉を解消するのに十分な損失を提供しない場合があり、この超音波は後に漏洩して音響層１４６に戻り得ることが認められる。このため、本発明の一実施形態によれば、ビームフォーミング電子回路１５６の背面に損失性バッキング層１６３が追加される。好適実施形態では、損失性バッキング層１６３は、例えばエポキシ又はＰＶＣのような損失性ポリマーに重金属粉末を混合したもののような散乱体で形成される。これらの（又は類似の）材料で形成された場合に、バッキング層１６３は、ビームフォーミング電子回路１５６の音響インピーダンス以下の音響インピーダンスを有する。損失性バッキング層１６３の高減弱／高散乱特性は、超音波がデマッチング層１５２及び／又はビームフォーミング電子回路１５６で捕捉された後に漏洩して音響層１４６に戻り得るのを防ぐのに役立つ。このように、損失性バッキング層１６３は、音波スペクトル内部のアーティファクトをさらに減少させるように作用する。
【００２８】
尚、音響層１４６、第一のマッチング層１４８、第二のマッチング層１５０、デマッチング層１５２、及び介在層１５４の各々の厚みは、トランスデューサ・アセンブリ１４２の利用を必要とする応用に従って決定され選択され得ることが特記され得る。さらに具体的には、トランスデューサ・アセンブリ１４２の様々な応用によって広範囲の動作周波数が要求され得る。従って、トランスデューサ・アセンブリ１４２の構成層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の各々の厚みは、トランスデューサ・アセンブリ１４２の利用を必要とする応用に基づいて決定され得る。一実施形態によれば、層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の厚みは、「特定周波数」すなわち通常は中心周波数において動作するトランスデューサ・アセンブリ１４２に基づいてスケーリングされる。もう一つの実施形態によれば、層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の厚みは、幾つかの異なる周波数でのトランスデューサ・アセンブリ１４２の利用に基づいて異なるようにスケーリングされる。すなわち、音響層１４６が一つの周波数で送波し異なる周波数で受波するような高調波では、デマッチング層１５２及びマッチング層１４８、１５０の厚みはこれらの送受波作用を最適化するように選択される。
【００２９】
ここで図４〜図６を参照すると、介在層１５４のさらに詳細な図が本発明の各実施形態に従って示されている。介在層１５４の伝導性素子１６０は、ビームフォーミング電子回路１５６とデマッチング層１５２との間に（及び引き続き音響層１４６まで）電気的接続又は経路を設けるために幾つかの形態を取り得ると認められる。本発明の一実施形態によれば、伝導性素子１６０は、銀エポキシのような低音響インピーダンスを有する導電性充填材料の形態にある。本発明のもう一つの実施形態によれば、伝導性素子は、低インピーダンスの非伝導性エポキシと組み合わせて用いられる１ミクロン〜１０ミクロンの厚みを有するめっき銅の薄層のような伝導性相互接続の形態にあってよいことが認められる。
【００３０】
図４には、本発明の一実施形態による図３のトランスデューサ・アセンブリ１４２と共に用いられる介在層１６２が示されている。介在層１６２は、単層の非導電性有機基材１６４で形成されるものとして示されている。基材１６４は、例えばKapton（商標登録）ポリイミドで形成されてよく、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材１６４は、当該基材の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成されている複数のビア１６６を形成されて含んでいる。図４の実施形態によれば、ビア１６６は、図３に示すようなトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材１６４に形成される。
【００３１】
ビア１６６の各々は、介在層１６２を通る電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料１６８で充填されている。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料１６８は基材１６４の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア１６６の内部に含まれる充填材料１６８は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。複数の接続パッド１７０が、介在層１６２の上面及び底面でビア１６６の各々に対応する位置に配置されている。このように、充填材料１６８及び接続パッド１７０は、図３に示すように、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１とトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４の各々との間に電気的接続／経路を設けている。
【００３２】
ここで図５を参照すると、本発明のもう一つの実施形態による図３のトランスデューサ・アレイ１４２と共に用いられる介在層１７２のさらに詳細な図が示されている。介在層１７２は、単層の非導電性有機基材１７４で形成されるものとして示されている。基材１７４は例えばポリイミドで形成されていてよく、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材１７４には、複数の穿孔１７８を形成されて有する金属シート１７６が埋め込まれている。複数のビア１８０が基材１７４に形成されており、基材の上面から背面まで金属シート１７６の穿孔１７８を通して延在する貫通ビアとして構成されている。図５の実施形態によれば、ビア１８０は、図３に示すようなトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材１７４に形成されている。このようなものとして、ビア１８０は、金属シートの穿孔のピッチに依存して金属シート１７６の穿孔１７８の各々を通して又は穿孔の一部のみを通して形成され得る。有益なこととして、金属シート１７６は、介在層１７２が被るｘ方向及びｙ方向の熱膨張の量を、有機材料の基材のみで形成された介在層と比較して低減する。実施形態の一例によれば、金属シートは、全介在層構造の２５％未満を構成する。
【００３３】
図５にさらに示すように、ビア１８０の各々は、介在層１７２を通して電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料１８２で充填されている。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料１８２は基材１７４の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア１８０の内部に含まれる充填材料１８２は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。複数の接続パッド１８４が、介在層１７２の上面及び底面でビア１８０の各々に対応する位置に配置されている。このように、充填材料１８２及び接続パッド１８４は、図３に示すように、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１とトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４の各々との間に電気的接続／経路を設けている。
【００３４】
ここで図６を参照すると、本発明のもう一つの実施形態による図３のトランスデューサ・アレイ１４２と共に用いられる介在層１８６のさらに詳細な図が示されている。介在層１８６は、複数の別個の基材の層１８８、１９０、１９２を有する多層構造として形成されるものとして示されている。介在層１８６は、底面層１８８、中間層１９０及び最上層１９２の三つの基材層を含むものとして示されているが、さらに多数又は少数の層も具現化され得ることが思量される。基材層１８８、１９０、１９２の各々は、ポリイミドのような低音響インピーダンス（例えば１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満）を有する非導電性有機基材で形成されている。基材層１８８、１９０、１９２の各々は、層の前面から当該層の背面まで延在する複数のビア１８０を形成されて含んでいる。図６の実施形態によれば、基材層１８８、１９０、１９２の各々に形成されたビア１９４のピッチは互いに異なっており、第一のピッチを有するトランスデューサ素子１４４（及び音響素子１４６）（図３）並びに第一のピッチと異なる第二のピッチを有するビームフォーミング電子回路１５６（図３）の相互接続パッド１６１に対する介在層１８６の接続を可能にしている。
【００３５】
図６に示すように、底面基材層１８８に形成されたビア１９４は、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１のピッチに合致する第一のピッチを有する。本発明の実施形態の一例によれば、底面基材層１８８のビア１６６の各々が金属相互接続１９６を形成されて有する。金属相互接続１９６は、銅のような伝導性材料の薄層（例えば１ミクロン〜１０ミクロン厚）で形成されており、各々の相互接続はビアと実質的に一致し且つ基材層１８８の上面にまで延在するように刻印されている。底面基材層１８８のビア１９４の各々はまた、低インピーダンスの非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンス（例えば約３MRayl）を有するビア構造を形成する。複数の接続パッド１７０が、底面基材層１８８の底面でビア１９４の各々に対応する位置に配置されている。
【００３６】
ビア１９４はまた、中間基材層１９０にも形成されており、中間基材層のビアは底面基材層１８８のビアのピッチとは異なる第二のピッチを有する。中間基材層１９０のビア１９４は、底面層ビアの金属相互接続１９６と重なり合う／交差するような位置に形成されており、底面基材層１８８と中間基材層１９０との間に電気的接続が形成され得るようにしている。底面基材層１８８と同様に、中間基材層１９０のビア１９４の各々もまた金属相互接続１９６を形成されて有し、金属相互接続はビアを通して下方に延在し、また基材層１９０の上面まで延在している。中間基材層１９０のビア１９４の各々は非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで下方に延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンスを有するビア構造を形成する。
【００３７】
ビア１９４はまた、最上基材層１９２にも形成されており、最上基材層のビアは底面基材層及び中間基材層１８８、１９０のビアのピッチと異なる第三のピッチを有する。最上基材層１９２のビア１９４は、中間層ビアの金属相互接続１９６と重なり合う／交差するような位置に形成されており、中間基材層１９０と最上基材層１９２との間に電気的接続が形成され得るようにしている。最上基材層１９２のビア１９４のピッチはまた、トランスデューサ素子１４４（及び音響素子１４６）のピッチに合致する。最上基材層１９２のビア１９４の各々もまた金属相互接続１９６を形成されて有しており、金属相互接続はビアを通して下方に延在し、また最上基材層１９２の上面まで延在し、最上基材層の外側に面した表面に延在して接続パッドを形成することができる。最上基材層１９２のビア１９４の各々は非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで下方に延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンスを有するビア構造を形成する。複数の接続パッド１７０が、最上基材層１９２の上面でビア１９４の各々に対応する位置に配置されている。
【００３８】
介在層１８６の多層基材は、外側に面した表面での接続パッド１７０の再取り回しを可能にするので、底面基材層１８８の上の接続パッドは最上基材層１９２の接続パッドとは異なるピッチを有する。このように、介在層１８６は、第一のピッチを有するトランスデューサ素子１４４の第一のピッチとは異なる第二のピッチで相互接続パッドを有するビームフォーミング電子回路１５６への接続を可能にしている。
【００３９】
図４〜図６の実施形態の各々において、介在層に形成される伝導性素子／経路は、薄い金属の伝導性相互接続と併せて用いられる伝導性エポキシ又は非伝導性エポキシの形態を取り得ることが認められる。このように、図４〜図６の実施形態の各々での伝導性素子の特定の形態は、伝導性素子の代替的な形態によって置換され得る。例えば、図４の実施形態で述べた伝導性エポキシは、薄い金属の伝導性相互接続と併せて用いられる非伝導性エポキシに置き換えることができ、同様の置換は図５及び図６の実施形態の各々についても行なわれ得る。
【００４０】
ここで図７を参照すると、本発明の一実施形態による図３に示すトランスデューサ・アセンブリ１４２のような例示的なトランスデューサ・アセンブリを製造する例示的な工程２００において作製される段階的構造が示されている。工程は、介在層２０４を設けるステップ２０２から開始される。図７の実施形態では、介在層２０４を単層基材２０４から形成されるものとして示しているが、図６の実施形態に従って多層基材も設けられ得ることが認められる。介在層基材２０６は、例えばポリイミドで形成され得る非導電性有機基材であり、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材には複数のビア２０８が形成され、これらのビアは基材２０６の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成される。図７の実施形態によれば、ビア２０８は、以下で説明するように、トランスデューサ・アセンブリ１４２（図３）のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材２０６に形成される。ビア２０８の各々は、介在層２０４を通る電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料２１０で充填される。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料２１０は基材２０６の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア２０８の内部に含まれる充填材料２１０は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。次いで、複数の接続パッド２１２が、介在層２０６の上面及び底面でビア２０８の各々に対応する位置に追加される。
【００４１】
介在層２０４の形成に続いて、ステップ２１４においてトランスデューサ・アセンブリ１４２（図３を参照）のような例示的なトランスデューサ・アセンブリが形成される。上面及び底面を有する音響層２１６が設けられる。電極（図示されていない）が、音響層２１６の上面及び底面にスパッタリング及び／又はめっきで付着し得る。認められるように、電極は、特に接地電極及び信号電極について、異なる物理的構成を有していてよい。一実施形態では、電極は巻き付け構成を含み得る。音響層２１６は、約５０ミクロン〜約６００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。
【００４２】
上面及び底面を有する第一のマッチング層２１８が音響層２１６の上面に配設され得る。第一のマッチング層２１８は、約４０ミクロン〜約３００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。続いて、上面及び底面を有する第二のマッチング層２２０が、第一のマッチング層２１８の上面に配設され得る。第一のマッチング層２１８に関して記載されるように、第二のマッチング層２２０は、約３０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。第一及び第二のマッチング層２１８、２２０は、高インピーダンスの音響層２１６と低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。かかるトランスデューサは単一又は多数のマッチング層を含み得ることが認められよう。現在利用可能なトランスデューサは典型的には二つのマッチング層を用いており、この場合にトランスデューサでの二つのマッチング層の利用は、空間的に制約された応用での性能と積層体の厚みとの間の最善の兼ね合いに相当し得る。
【００４３】
加えて、ステップ２１４では、上面及び底面を有する例示的なデマッチング層２２２を音響層２１６の底面に配設することができる。換言すると、音響層２１６の第一のマッチング層２１８が配設されている表面の裏面にデマッチング層２２２を配設することができる。さらに、デマッチング層２２２は約５０ミクロン〜約５００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。さらに、認められるように、デマッチング層２２２は、導電性の基材で形成されるか、伝導性ビア構造を形成した非導電性基材で形成されるかの何れかによって、導電性となるように構成することができる。このように、ダイス切断前の音響積層体２２４が、第二のマッチング層２２０、第一のマッチング層２１８、音響層２１６及びデマッチング層２２２を積み重ねて各層を共に結合することにより形成され得る。
【００４４】
ステップ２１４を引き続き参照して述べると、介在層２０４は、デマッチング層２２２の底面に結合される。かかる結合は、圧縮結合、金スタッド・バンプ結合、伝導性エポキシ、はんだリフロー、異方伝導性フィルム、又は他の方法を含む幾つかの公知の方法の任意のものによって実行することができる。上で述べたように、介在層２０４は、デマッチング層２２２の音響インピーダンスよりも実質的に低い音響インピーダンスを有する。さらに図７に示すように、上面及び底面を有する基材２２６を選択することができる。基材２２６は、プラスチック、金属、セラミック、シリコン、ポリマー又はガラスの一つを含み得る。基材２２６は、作製工程時にトランスデューサ・アセンブリに機械的強度を与えるように構成され得ることが特記され得る。
【００４５】
ステップ２２８は、トランスデューサ・アセンブリをダイス切断して複数のトランスデューサ素子を形成するステップを表わしている。従って、１又は複数の鋸切り溝２３０が、第二のマッチング層２２０、第一のマッチング層２１８、音響層２１６、及びデマッチング層２２２を通して延在し得る。本発明のさらに他の観点によれば、１又は複数の鋸切り溝２３０は介在層２０４まで部分的に延在していてもよい。ステップ２２８での四つの層のダイス切断の結果として、複数のトランスデューサ素子２３２を形成することができる。
【００４６】
ステップ２３４では、複数のトランスデューサ素子２３２の間の素子間の空間に切り溝充填材２３６を配設することができる。代替的には、トランスデューサ素子２３２の各々の間に空気が存在するように切り溝２３０を充填せずに残してもよい。切り溝充填剤２３６は、充填又は無充填のシリコン又はエポキシを含み得る。また、切り溝充填剤２３６は、素子間空間２３０を充填することによりトランスデューサ・アセンブリを機械的に強化するように構成されることができ、これにより脆性を小さくしさらに信頼性の高いアセンブリを得ることができる。切り溝充填剤２３６は、低剪断剛性又は高剪断減弱性を有するように構成されることができ、これにより素子間クロストークを最小にする。ステップ２３４に続いて、ステップ２３８において基材２２６を取り除いてビームフォーミング電子回路２４０を介在層の底面に結合することができ、圧縮結合、金スタッド・バンプ結合、伝導性エポキシ、はんだリフロー、異方伝導性フィルム、又は他の方法によって結合することができる。また、損失性バッキング層１６３をビームフォーミング電子回路２４０の背面に追加することができる。図７に示すように、ビームフォーミング電子回路２４０の相互接続パッド２４２の間隔又はピッチは、ビームフォーミング電子回路２４０と介在層２０４との間に電気的接続が形成されるように、介在層２０４の接続パッド２１２のピッチに合致している。
【００４７】
図７において述べた製造工程以外に、トランスデューサ・アセンブリ１４２を構築する代替的な製造工程を具現化し得ることが認められる。例えば、代替的な製造工程の実施形態によれば、基材２２６を製造工程から省くことができる。一実施形態によれば、製造工程は、介在層２０４をビームフォーミング電子回路２４０に取り付けることから開始することができる。次いで、音響積層体２２４を介在層２０４及びビームフォーミング電子回路２４０（支持を提供する）の上に組み立てることができ、これにより基材２２６の必要性をなくすことができる。もう一つの実施形態によれば、音響積層体２２４を介在層２０４のみの上に組み立てることができる。次いで、ビームフォーミング電子回路２４０がトランスデューサ素子２３２の形成工程を受けないように、ビームフォーミング電子回路２４０を引き続き介在層２０４に取り付ける。もう一つの実施形態によれば、音響積層体２２４は第二のマッチング層２２０の追加の前にダイス切断されることができ、第二のマッチング層が連続的な層のままとなり、この層の底面に施工される伝導性フィルム（図示されていない）と共にトランスデューサ素子２３２の各々に電気的接地接続を提供するようにする。
【００４８】
ここで図８を参照すると、本発明の一実施形態によれば、トランスデューサ素子及びビームフォーミング電子回路の相互接続への同時接続を可能にするように構成されている介在層２５０が設けられる。介在層２５０は、図３に記載されるようなトランスデューサ素子２５６への結合のための第一の接続領域２５２と、ビームフォーミング電子回路２５８への結合のための第二の接続領域２５４とを含んでいる。介在層２５０の第一の接続領域２５２及び第二の接続領域２５４は、ビームフォーミング電子回路２５８の上の第一及び第二の群の相互接続パッド２６０、２６２に対応している。第一の群の相互接続パッド２６０はビームフォーミング電子回路２５８の中央部分の内部に配置されてトランスデューサ素子２５６と関連するが、第二の群の相互接続パッド２６２はビームフォーミング電子回路２５８の１又は複数の端辺に沿って配置されて信号入出力（Ｉ／Ｏ）、電力及び制御の各作用を提供するシステム接続に関連する。
【００４９】
図３〜図７において議論された介在層と同様に、介在層２５０は非導電性有機基材２６４で形成される。実施形態の一例によれば、基材２６４は、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する非導電性材料で形成される。有機基材２６４は、例えばポリイミドで構成されており、全厚が約２５ミクロン〜約５００ミクロンの範囲にあり、好ましくは１２５ミクロンよりも厚い。低音響インピーダンス材料で形成される介在層２５０は、デマッチング層２８０、介在層２５０及び集積回路２５８が音響反射体としてさらに効率よく作用することを可能にする。デマッチング層２８０とビームフォーミング電子回路２５８との間に低音響インピーダンスの介在層２５０を配置すると、ビームフォーミング電子回路の実効音響インピーダンスが顕著に上昇し、これによりトランスデューサ素子２５６の前面／上面から音波エネルギの大半を反射させる。
【００５０】
図８に示すように、介在層２５０の基材２６４は第一の層２６６及び第二の層２６８を含んでいるが、他の単層基材又は多層基材も具現化され得ることが認められる。実施形態の一例によれば、第二の接続領域２５４では、基材２６４の第一の層２６６が、ビームフォーミング電子回路２５８とケーブル・フレックス回路のようなシステム接続（図示されていない）との間で信号を伝える信号Ｉ／Ｏとして作用する。基材２６４の第二の層２６８は、システム接続からビームフォーミング電子回路２５８へ電力／制御信号を供給する電力及び制御層として作用する。
【００５１】
介在層２５０の第一の接続領域２５２は複数のビア２７０を形成されて含んでおり、ビアは基材の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成されている。図４に関して上で述べたように、ビア２７０は、トランスデューサ素子２５６の間隔又はピッチ、及びビームフォーミング電子回路２５８の群２６０の相互接続パッド（例えばバンプ接続）のピッチと同一の間隔又はピッチを有するように基材２６４に形成される。ビア２７０の各々は、導電性充填材２７２（例えば銀エポキシ）で又は薄い金属伝導性相互接続及び非導電性エポキシで充填されており、この相互接続が介在層２５０を通してビームフォーミング電子回路２５８の第一の群の相互接続パッド２６０及びトランスデューサ素子２５６の各々に電気的接続又は経路を設けている。
【００５２】
介在層２５０の第二の接続領域２５４は、ケーブル・フレックス回路のようなシステム相互接続からビームフォーミング電子回路２５８へ電力及び制御命令を送信するように作用する。このように、第二の接続領域２５４は、当該領域を走行する伝導性トレース（図示されていない）、並びにビームフォーミング電子回路２５８の上の第二の群の相互接続パッド２６２に対応する一連のパッド接続２７４及び／又はビア２７０（伝導性エポキシ２７２で充填されている）を含んでいる。実施形態の一例によれば、介在層２５０の上の接続パッド２７４は、第一の基材層２６６を第二の群の相互接続パッド２６２の相互接続パッドに電気的に結合して、ビームフォーミング電子回路２５８に信号Ｉ／Ｏを提供する。ビームフォーミング電子回路２５８に電力及び制御信号を提供するためには、第二の基材層２６８は、第一の基材層２６６（導電性材料で充填されている）を通して延在する単層ビア２７６（伝導性エポキシ２７２で充填されている）、及び接続パッド２７４を経由して、第二の群の相互接続パッド２６２のもう一つの相互接続パッドに電気的に結合される。また、第二の群の相互接続パッド２６２のもう一つの相互接続パッドと電気的接地２７８との間の接地／二重電力接続が介在層２５０によって提供される。すなわち、伝導性エポキシ２７２で充填された貫通ビア２７０が基材２６４を通して形成され、第二の群の相互接続パッド２６２の相互接続パッドを導電性のデマッチング層２８０に電気的に結合し、デマッチング層が電気的接地２７８にさらに結合される。
【００５３】
図８に示すように、実施形態の一例によれば、トランスデューサ素子２５６を形成する音響積層体は、第一の接続領域２５２及び第二の接続領域２５４の両方をカバーするのに十分な寸法を有する。製造工程時に、成層した音響積層体が介在層２５０（第一及び第二の接続領域２５２、２５４をカバーする）の一方の側面に積層され、図７において述べたようなトランスデューサ素子２５６の２Ｄアレイに加工される。次いで、接合されたトランスデューサ素子及びフレックス回路は、第一の接続領域２５２（及びトランスデューサ素子２５６）が音響送受波信号に関連する第一の群の相互接続パッド２６０に電気的に接合され、また第二の接続領域２５４が信号Ｉ／Ｏ、電力及び制御作用に関連する第二の群の相互接続パッド２６２に電気的に接合されるように、ビームフォーミング電子回路２５８の上に接着剤を用いて圧着積層される。有益なこととして、介在層２５０は、トランスデューサ素子のアレイをビームフォーミング電子回路２５８の表面に取り付けることなく構築する（各構成要素を積層し、研磨し、清浄化し、ダイス切断する等）ことを可能にし、これによりビームフォーミング電子回路への損傷の可能性を制限する。加えて、介在層２５０は、トランスデューサ素子２５６並びに介在層の信号Ｉ／Ｏ、電力及び制御接続に対するビームフォーミング電子回路２５８の同時接続を可能にし、システム相互接続への容易な接続を提供する。
【００５４】
従って、本発明の一実施形態によれば、超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、デマッチング層に結合されており基材及び複数の伝導性素子を含む介在層とを含んでおり、介在層はデマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する。この超音波トランスデューサはまた、介在層に結合されておりデマッチング層及び介在層を通して音響素子のアレイに電気的に接続されている集積回路を含んでいる。
【００５５】
本発明のもう一つの実施形態によれば、超音波トランスデューサを製造する方法が、介在層を設けるステップと、介在層に複数のビアを形成するステップと、ビアの内部に導電性材料を追加するステップと、音響層をデマッチング層に結合するステップとを含んでおり、デマッチング層は、音響層の音響インピーダンスよりも高く介在層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する。この方法はまた、介在層をデマッチング層に結合するステップと、ビームフォーミング電子回路パッケージを介在層に結合するステップとを含んでおり、ビームフォーミング電子回路パッケージは、複数の接続パッドを形成されて有し、介在層を経由して音響層に電気的に結合される。
【００５６】
本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、侵襲型プローブ用に構成された超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、音響層に信号を送り音響層から信号を受けるように構成されており複数の接続パッドを形成されて有するビームフォーミング電子回路とを含んでいる。この超音波トランスデューサはまた、デマッチング層に結合された介在層を含んでおり、介在層はさらに、デマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有し複数のビアを形成されて有する非導電性基材と、ビームフォーミング電子回路を音響層に電気的に接続するように構成されており、複数のビアを通して延在する複数の導電性経路を有する第一の接続領域と、ビームフォーミング電子回路を信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に電気的に接続するように構成されている第二の接続領域とを含んでいる。
【００５７】
この書面の記載は、最適な態様を含めて本書において本発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。本発明の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲によって画定され、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 超音波システム
１０２ 送波器
１０４ 素子のアレイ
１０６ 超音波トランスデューサ
１０８ 受波器
１１０ ビームフォーミング電子回路
１１２ ＲＦプロセッサ
１１４、１２２ メモリ
１１６ プロセッサ・モジュール
１１８ 表示器
１２４ ユーザ・インタフェイス
１３０ ３Ｄ対応小型超音波システム
１３２ トランスデューサ
１３４ ユーザ・インタフェイス
１３６ 一体型表示器
１３８ 外部装置
１４０ 有線網又は無線網
１４２ トランスデューサ・アセンブリ
１４４ トランスデューサ素子のアレイ
１４５ 所望の素子間間隔又はピッチ
１４６ 音響層
１４８ 第一のマッチング層
１５０ 第二のマッチング層
１５１ 導電性薄膜
１５２ デマッチング層
１５４ 介在層
１５６ 集積回路
１５８ 基材
１６０ 伝導性素子
１６１ 相互接続パッド
１６２、１７２、１８６ 介在層
１６３ 損失性バッキング層
１６４、１７４ 基材
１６６、１８０、１９４ ビア
１６８、１８２、１９８ 充填材
１７０、１８４ 接続パッド
１７６ 金属シート
１７８ 穿孔
１８８、１９０、１９２ 基材層
１９６ 金属相互接続
２０４ 介在層
２０６ 基材
２０８ ビア
２１０ 充填材
２１２ 接続パッド
２１６ 音響層
２１８ 第一のマッチング層
２２０ 第二のマッチング層
２２２ デマッチング層
２２４ ダイス切断前の音響積層体
２２６ 基材
２３０ 鋸切り溝
２３２ トランスデューサ素子
２３６ 切り溝充填材
２４０ ビームフォーミング電子回路
２４１ 損失性バッキング層
２４２ 相互接続パッド
２５０ 介在層
２５２ 第一の接続領域
２５４ 第二の接続領域
２５６ トランスデューサ素子
２５８ ビームフォーミング電子回路
２６０ 第一の群の相互接続パッド
２６２ 第二の群の相互接続パッド
２６４ 有機基材
２６６ 第一の層
２６８ 第二の層
２７０ ビア
２７２ 充填材
２７４ パッド接続部
２７６ 単層ビア
２７８ 電気的接地
２８０ デマッチング層
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、超音波トランスデューサに関し、さらに具体的には、音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサの音響性能を改善する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサ（すなわち超音波プローブ）は医用撮像に応用されており、患者に音響プローブを押圧してプローブが超音波を送受波する。すると、受信されたエネルギが患者の体内組織の画像化を容易にすることができる。例えば、トランスデューサを用いて患者の心臓を撮像することができる。経食道検査装置、腹腔鏡検査装置及び心内検査装置等のような体内型装置での利用を可能にするために、超音波トランスデューサの寸法を最小にすることが益々望ましくなっている。かかる応用は要求が非常にに厳しく、極く小型でありながら多量の情報を収集し得るトランスデューサ・パッケージが必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
超音波トランスデューサは典型的には、一次元又は二次元（２Ｄ）アレイに配列された多数の音響積層体を有している。各々の音響積層体がトランスデューサの内部の素子に対応しており、トランスデューサは、２Ｄアレイに配列された数千個等のように多数の音響積層体を内部に有し得る。２Ｄ音響アレイを有する超音波トランスデューサの占める空間及び電気キャパシタンスを最小にするためには、送受信ビームフォーミングに必要な電子回路に音響素子を直接接合することが好ましい。２Ｄ音響アレイ素子を関連するビームフォーミング電子回路に取り付ける単純な方法は、はんだ球、金スタッド・バンプ及びめっきポスト等のような従来の方法を用いてこれら二つの構成要素を直接接着することである。しかしながら、この接続方法ではアレイからの音波エネルギが電子回路の内部にまで伝播し、音波スペクトルの内部にアーティファクトが生じて最終的に医用診断画像の画質を低下させる。すなわち、電子的構成要素は典型的にはシリコン・ウェーハを用いて製造されるため、比較的低い音響減衰を有する。従って、音響アレイ（２Ｄアレイ等）がシリコン基材に直接取り付けられると、送信時に発生される音波エネルギの幾分かがシリコン基材の内部まで伝播する。この音波エネルギはシリコン基材の内部で最小損失で反響し、音響アレイに帰投して長いリングダウン（ring-down）アーティファクト及び他の音響アーティファクトを招き得る。これらのアーティファクトは、医用診断撮像に有用とされるもののような音波画像の画質を低下させる。
【０００４】
音響アーティファクトは、音響アレイとシリコン電子回路との間に高音響インピーダンス層（すなわち「デマッチング（整合分離）層」）を配置することにより減少させることができる。かかるデマッチング層を音響アレイの背面側に用いると、デマッチング層の裏面の層（すなわちビームフォーミング電子回路）のインピーダンスを変化させ、従ってインピーダンス差を増大させることにより、これらのアーティファクトを大幅に減少させることは周知である。しかしながら、高インピーダンスのデマッチング層自体は、好ましい画質を提供するのに十分なだけこれらのアーティファクトを減少させる訳ではない。すなわち、デマッチング層をシリコン（ビームフォーミング電子回路のシリコン基材等）に取り付けてもシリコン自体がかなり高い音響インピーダンス及び低い音響損失を有するので、デマッチング層の音響アーティファクトを減少させる能力は相対的に顕著でない。このように、最適な音響撮像を提供するためには改善された音響構造が必要である。
【０００５】
従って、音響アーティファクトを減少させる改善された音響性能を有する超音波トランスデューサを設計することが望ましい。さらに、かかる超音波トランスデューサの体内型超音波プローブとしての利用を可能にするように最小寸法を保つことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、音波スペクトルの内部のアーティファクトを減少させることにより超音波トランスデューサの音響性能を改善する方法及び装置に関するものである。この装置は、トランスデューサ素子のアレイをビームフォーミング電子回路パッケージに結合する介在（interposer）層を含んでいる。
【０００７】
本発明の一観点によれば、超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、デマッチング層に結合されており基材及び複数の伝導性素子を含む介在層とを含んでおり、介在層はデマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する。この超音波トランスデューサはまた、介在層に結合されておりデマッチング層及び介在層を通して音響素子のアレイに電気的に接続されている集積回路を含んでいる。
【０００８】
本発明のもう一つの観点によれば、超音波トランスデューサを製造する方法が、介在層を設けるステップと、介在層に複数のビアを形成するステップと、ビアの内部に導電性材料を追加するステップと、音響層をデマッチング層に結合するステップとを含んでおり、デマッチング層は、音響層の音響インピーダンスよりも高く介在層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する。この方法はまた、介在層をデマッチング層に結合するステップと、ビームフォーミング電子回路パッケージを介在層に結合するステップとを含んでおり、ビームフォーミング電子回路パッケージは、複数の接続パッドを形成されて有し、介在層を経由して音響層に電気的に結合される。
【０００９】
本発明のさらにもう一つの観点によれば、侵襲型プローブ用に構成された超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、音響層に信号を送り音響層から信号を受けるように構成されており複数の接続パッドを形成されて有するビームフォーミング電子回路とを含んでいる。この超音波トランスデューサはまた、デマッチング層に結合された介在層を含んでおり、介在層はさらに、デマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有し複数のビアを形成されて有する非導電性基材と、ビームフォーミング電子回路を音響層に電気的に接続するように構成されており、複数のビアを通して延在する複数の導電性経路を有する第一の接続領域と、ビームフォーミング電子回路を信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に電気的に接続するように構成されている第二の接続領域とを含んでいる。
【００１０】
他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面は、本発明を実施するために現状で思量される好適実施形態を示す。
【図１】超音波システムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波データを取得するように構成され得るトランスデューサを有する小型超音波システムの図である。
【図３】本発明の一実施形態による図１の超音波システム用のトランスデューサ・アセンブリの実施形態の一例の遠近図である。
【図４】本発明の一実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図５】本発明のもう一つの実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図６】本発明のもう一つの実施形態による観点でのトランスデューサ・アセンブリの介在層の断面図である。
【図７】本発明の一実施形態によるトランスデューサ・アセンブリの段階的形成を示す一連の断面模式図である。
【図８】本発明の一実施形態によるトランスデューサ・アセンブリ、介在層及びビームフォーミング電子回路の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、超音波トランスデューサ１０６の内部の素子１０４（すなわちトランスデューサ素子）のアレイを駆動して体内にパルス型超音波信号を放出する送波器１０２を含む超音波システム１００を示している。素子１０４の各々が、音響積層体（図３に示す）に対応している。素子１０４は、例えば一次元又は二次元で配列されていてよい。多様な幾何学的構成を用いることができる。各々の超音波トランスデューサ１０６は、所定の中心動作周波数及び帯域幅を有している。超音波信号は脂肪組織又は筋組織のような身体の構造から後方散乱されてエコーを発生し、エコーは素子１０４に帰投する。エコーは受波器１０８によって受波される。受波されたエコーはビームフォーミング電子回路１１０を通過し、ビームフォーミング電子回路１１０はビームフォーミングを実行してＲＦ信号を出力する。次いで、ＲＦ信号はＲＦプロセッサ１１２を通過する。代替的には、ＲＦプロセッサ１１２は、ＲＦ信号を復調してエコー信号を表わすＩＱデータ対を形成する複素復調器（図示されていない）を含み得る。次いで、ＲＦ信号データ又はＩＱ信号データをメモリ１１４に直接送って記憶させることができる。
【００１３】
超音波システム１００はまた、取得された超音波情報（例えばＲＦ信号データ又はＩＱデータ対）を処理して、表示器１１８での表示のために超音波情報のフレームを作成するプロセッサ・モジュール１１６を含んでいる。プロセッサ・モジュール１１６は、取得された超音波情報に対し複数の選択可能な超音波モダリティに応じて１又は複数の処理演算を実行するように構成されている。取得された超音波情報を、エコー信号が受信されるのに伴って走査セッション中に実時間で処理して表示することができる。加えて、又は代替的には、超音波情報を走査セッション中にはメモリ１１４に一時的に記憶させ、次いでオフライン動作として処理して表示してもよい。
【００１４】
プロセッサ・モジュール１１６は、以下でさらに詳細に説明するように、プロセッサ・モジュール１１６の動作を制御し得るユーザ・インタフェイス１２４に接続されている。表示器１１８は、診断及び解析のために利用者に提供される診断用超音波情報を含む患者情報を提示する１又は複数のモニタを含んでいる。メモリ１１４及びメモリ１２２の一方又は両方が超音波データの三次元（３Ｄ）データ集合を記憶することができ、かかる３Ｄデータ集合にアクセスして２Ｄ画像及び３Ｄ画像を提示する。また、多数の連続した三次元データ集合を経時的に取得して記憶することができ、実時間の３Ｄ表示又は４Ｄ表示等を提供することができる。これらの画像を、ユーザ・インタフェイス１２４を用いて修正することができ、また表示器１１８の表示設定を手動で調節することができる。
【００１５】
図２は、３Ｄ超音波データを取得するように構成され得るトランスデューサ１３２を有する３Ｄ対応小型超音波システム１３０を示す。例えば、図１の超音波トランスデューサ１０６に関して上で述べたように、トランスデューサ１３２はトランスデューサ素子１０４の２Ｄアレイを有し得る。ユーザ・インタフェイス１３４（一体型表示器１３６も含み得る）が設けられて、操作者からの指令を受け取る。本書で用いられる「小型」との用語は、超音波システム１３０がハンド・ヘルド型若しくはハンド・キャリー型の装置であるか、又は人の手、ポケット、ブリーフケース大の鞄若しくは背嚢で運搬されるように構成されていることを意味する。例えば、超音波システム１３０は、典型的なラップトップ型コンピュータの寸法、例えば厚み約２．５インチ、幅約１４インチ及び高さ約１２インチの寸法を有するハンド・キャリー型装置であってよい。超音波システム１３０は約１０ポンドの重量であってよく、このため操作者によって容易に持ち運び可能である。また、一体型表示器１３６（例えば内部表示器）が設けられ、医用画像を表示するように構成されている。
【００１６】
超音波データは、有線網若しくは無線網１４０（又は例えばシリアル・ケーブル、パラレル・ケーブル若しくはＵＳＢポートを介した直接接続）を介して外部装置１３８に送信され得る。幾つかの実施形態では、外部装置１３８は表示器を有するコンピュータ又はワークステーションであってよい。代替的には、外部装置１３８は、ハンド・キャリー型超音波システム１３０から画像データを受け取ることが可能であり、一体型表示器よりも高い分解能を有し得る画像を表示し又は印刷し得るような別個の外部表示器又はプリンタであってもよい。
【００１７】
もう一つの例として、超音波システム１３０は３Ｄ対応のポケット・サイズ型超音波システムであってよい。例として述べると、ポケット・サイズ型超音波システムは幅約２インチ、長さ約４インチ、及び厚み約０．５インチで、重量が約３オンス未満であってよい。ポケット・サイズ型超音波システムは、表示器、ユーザ・インタフェイス（すなわちキーボード）、及びトランスデューサとの接続のための入出力（Ｉ／Ｏ）ポートを含み得る（全て図示されていない）。尚、異なる寸法、重量及び消費電力を有する小型超音波システムに関連して様々な実施形態を具現化し得ることを特記する。
【００１８】
ここで図３を参照すると、超音波トランスデューサ１０６（図１）及び／又はトランスデューサ１３２（図２）に組み入れられるトランスデューサ・アセンブリ１４２の実施形態の一例の遠近図が本発明の一実施形態に従って示されている。トランスデューサ・アセンブリ１４２は、所望の素子間隔又はピッチ１４５による隔設関係に形成されており複数の層を含む音響積層体として形成されているトランスデューサ素子のアレイ１４４を含むものとして示されている。各々のトランスデューサ素子１４４には音響層１４６又は音響素子が含まれており、音響素子のアレイがトランスデューサ・アセンブリ１４２に設けられている。音響層１４６は第一の表面及び第二の表面を有し、第二の表面は第一の表面の裏面に位置する。一実施形態では、第一の表面は上面を含み、第二の表面は底面を含み得る。
【００１９】
認められるように、音響層１４６は、音波エネルギを発生して患者（図示されていない）の体内に送波し、患者から後方散乱音響信号を受波して画像を作成して表示するように構成され得る。音響層１４６は、当技術分野で公知のように、上面及び底面に電極（図示されていない）を含み得る。音響層１４６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミック、圧電複合材料、圧電単結晶又は圧電ポリマーで形成されていてよい。幾つかの実施形態では、音響層１４６は上述の材料の多数の層を含み得ることが特記され得る。さらに具体的には、一実施形態では、音響層１４６は同じ材料の多数の層を含んでいてよく、もう一つの実施形態では、音響層１４６は異なる材料の多数の層を含んでいてよい。
【００２０】
図３に示すように、各々のトランスデューサ素子１４４が、音響層１４６の第一の表面に配設された少なくとも一つのマッチング（整合）層を含み得る。少なくとも一つのマッチング層は、音響層１４６の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有するように構成され得ることが特記され得る。例えば、少なくとも一つのマッチング層の音響インピーダンスは約２MRayl〜約１５MRaylの範囲にあってよく、音響層１４６の音響インピーダンスは約３MRayl〜約３５MRaylの範囲にあってよい。
【００２１】
一実施形態では、第一のマッチング層１４８が、当該層自体上面及び底面を有し、音響層１４６の第一の面に配設され得る。認められるように、第一のマッチング層１４８は、高インピーダンスのトランスデューサ素子と、例えば低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。現在思量される構成では、第一のマッチング層１４８は、充填エポキシ、金属含浸グラファイト、又はガラス・セラミックスを含み得る。
【００２２】
現在思量される構成では、各々のトランスデューサ素子１４４はまた、上面及び底面を有し第一のマッチング層１４８の上面に配設された第二のマッチング層１５０を含み得る。第一のマッチング層１４８に関して特記されたように、第二のマッチング層１５０も、高インピーダンスのトランスデューサ素子と低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。また、第一のマッチング層１４８に関して前述したように、現在思量される構成では、第二のマッチング層１５０は、無充填エポキシ、又はポリスルホン若しくはポリスチレンのようなプラスチックを含み得る。第一及び第二のマッチング層１４８、１５０がトランスデューサ素子１４４に含まれるように示されているが、さらに少数又は多数のマッチング層を用いてよいことが認められる。このようなものとして、単一のマッチング層を用いることもできるし、第一及び第二のマッチング層に第三及び第四のマッチング層を加えることもできる。
【００２３】
一実施形態によれば、第一のマッチング層１４８は導電性材料で構成される。第二のマッチング層１５０は第一のマッチング層１４８に連続した層として施工され、当該層の底面に導電性薄膜１５１を含んでいる。このように、連続した第二のマッチング層１５０（及び導電性薄膜１５１）は、トランスデューサ素子１４４の各々に電気的接地接続を提供する。もう一つの実施形態によれば、第一のマッチング層は非導電性であり、当該層の底面に形成された導電層を有し、このようにして連続した層として形成され得ることが認められる。さらに、実施形態の一例によれば、第二のマッチング層１５０の上面にシリコン又はポリウレタンのような表面仕上げ材（図示されていない）を載置して、患者と共に用いられるトランスデューサ・アセンブリ１４２を構成し得ることが認められる。
【００２４】
さらに図３に示すように、各々のトランスデューサ素子１４４は、音響層１４６の底面に隣接して配設されたデマッチング層１５２を含み得る。デマッチング層１５２は音響層１４６の底面に配設されて音響層１４６に結合されている。デマッチング層１５２は、音響層１４６の音響インピーダンスよりも実質的に高いインピーダンスを有する材料を用いて構築され得る。例えば、音響層１４６の音響インピーダンスは約３MRayl〜約３５MRaylの範囲にあってよく、デマッチング層１５２の音響インピーダンスは約６０MRayl〜約１００MRaylの範囲にあってよく、好ましくは約７０MRaylよりも高い。幾つかの実施形態では、高インピーダンス材料は炭化タングステンで形成され得るが、タングステン、タンタル、又は同様の音響インピーダンスを有する他の材料を用いてもよいことが認められる。デマッチング層１５２は音響インピーダンス変換器として作用し、音響層１４６の後面に現われる（又は後面が経験する）実効音響インピーダンスを、音響層１４６のインピーダンスよりも実質的に高い値まで顕著に上昇させる。結果として、音波エネルギの大半が音響層１４６の前面から反射される。
【００２５】
デマッチング層１５２の底面（及び音響積層体１４４の底面）に介在層１５４が結合されており、介在層１５４は、超音波トランスデューサ１０６（図１）のトランスデューサ・アセンブリ１４２に含まれてビームフォーミングを実行するように構成されている集積回路１５６（すなわち「ビームフォーミング電子回路」）に各々のトランスデューサ素子１４４の音響層を結合して作用するように構成されている。介在層１５４は低音響インピーダンスの材料で形成される。介在層１５４及び集積回路１５６の組み合わせは、デマッチング層１５２の背面に加わる音響負荷として作用する。デマッチング層１５２は音響インピーダンス変換器として作用し、これにより音響層素子１４６の背面に対する音響負荷の変換後のインピーダンスを与える。介在層が存在しなければ、音響層の背面に与えられる音響インピーダンスは、介在層が存在する場合よりも低い。低音響インピーダンスの介在層１５４を含むことにより、音響素子は音響層１４６の前面からさらに多くの音波エネルギを反射し、これによりトランスデューサ・アセンブリ１４２の音響アーティファクトを減少させる。デマッチング層１５２とビームフォーミング電子回路１５６との間に低音響インピーダンス材料で形成されている介在層１５４を配置すると、ビームフォーミング電子回路１５６の実効音響インピーダンスが顕著に上昇し、これにより音響層１４６の前面／上面から音波エネルギの大半を反射して、トランスデューサ・アセンブリ１４２における音響アーティファクトの存在を減少させる。
【００２６】
実施形態の一例によれば、介在層１５４は、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する非導電性有機基材１５８で形成されている。有機基材１５８は、例えばKapton（登録商標）ポリイミドのようなポリイミドで構成されていてよい。また、介在層１５４には基材１５８を通して延在する複数の伝導性素子１６０が含まれており、ビームフォーミング電子回路１５６とデマッチング層１５２との間に（及び引き続き音響層１４６まで）電気的接続又は経路を設ける。図３に示すように、伝導性素子１６０の間隔又はピッチは、ビームフォーミング電子回路１５６の上の相互接続パッド１６１と各々のトランスデューサ素子１４４との間に電気的接続が形成されるようなものとなっている。
【００２７】
介在層１５４が薄いとデマッチング層１５２及び／又はビームフォーミング電子回路１５６での超音波の捕捉を解消するのに十分な損失を提供しない場合があり、この超音波は後に漏洩して音響層１４６に戻り得ることが認められる。このため、本発明の一実施形態によれば、ビームフォーミング電子回路１５６の背面に損失性バッキング層１６３が追加される。好適実施形態では、損失性バッキング層１６３は、例えばエポキシ又はＰＶＣのような損失性ポリマーに重金属粉末を混合したもののような散乱体で形成される。これらの（又は類似の）材料で形成された場合に、バッキング層１６３は、ビームフォーミング電子回路１５６の音響インピーダンス以下の音響インピーダンスを有する。損失性バッキング層１６３の高減弱／高散乱特性は、超音波がデマッチング層１５２及び／又はビームフォーミング電子回路１５６で捕捉された後に漏洩して音響層１４６に戻り得るのを防ぐのに役立つ。このように、損失性バッキング層１６３は、音波スペクトル内部のアーティファクトをさらに減少させるように作用する。
【００２８】
尚、音響層１４６、第一のマッチング層１４８、第二のマッチング層１５０、デマッチング層１５２、及び介在層１５４の各々の厚みは、トランスデューサ・アセンブリ１４２の利用を必要とする応用に従って決定され選択され得ることが特記され得る。さらに具体的には、トランスデューサ・アセンブリ１４２の様々な応用によって広範囲の動作周波数が要求され得る。従って、トランスデューサ・アセンブリ１４２の構成層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の各々の厚みは、トランスデューサ・アセンブリ１４２の利用を必要とする応用に基づいて決定され得る。一実施形態によれば、層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の厚みは、「特定周波数」すなわち通常は中心周波数において動作するトランスデューサ・アセンブリ１４２に基づいてスケーリングされる。もう一つの実施形態によれば、層１４６、１４８、１５０、１５２、１５４の厚みは、幾つかの異なる周波数でのトランスデューサ・アセンブリ１４２の利用に基づいて異なるようにスケーリングされる。すなわち、音響層１４６が一つの周波数で送波し異なる周波数で受波するような高調波では、デマッチング層１５２及びマッチング層１４８、１５０の厚みはこれらの送受波作用を最適化するように選択される。
【００２９】
ここで図４〜図６を参照すると、介在層１５４のさらに詳細な図が本発明の各実施形態に従って示されている。介在層１５４の伝導性素子１６０は、ビームフォーミング電子回路１５６とデマッチング層１５２との間に（及び引き続き音響層１４６まで）電気的接続又は経路を設けるために幾つかの形態を取り得ると認められる。本発明の一実施形態によれば、伝導性素子１６０は、銀エポキシのような低音響インピーダンスを有する導電性充填材料の形態にある。本発明のもう一つの実施形態によれば、伝導性素子は、低インピーダンスの非伝導性エポキシと組み合わせて用いられる１ミクロン〜１０ミクロンの厚みを有するめっき銅の薄層のような伝導性相互接続の形態にあってよいことが認められる。
【００３０】
図４には、本発明の一実施形態による図３のトランスデューサ・アセンブリ１４２と共に用いられる介在層１６２が示されている。介在層１６２は、単層の非導電性有機基材１６４で形成されるものとして示されている。基材１６４は、例えばKapton（商標登録）ポリイミドで形成されてよく、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材１６４は、当該基材の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成されている複数のビア１６６を形成されて含んでいる。図４の実施形態によれば、ビア１６６は、図３に示すようなトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材１６４に形成される。
【００３１】
ビア１６６の各々は、介在層１６２を通る電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料１６８で充填されている。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料１６８は基材１６４の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア１６６の内部に含まれる充填材料１６８は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。複数の接続パッド１７０が、介在層１６２の上面及び底面でビア１６６の各々に対応する位置に配置されている。このように、充填材料１６８及び接続パッド１７０は、図３に示すように、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１とトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４の各々との間に電気的接続／経路を設けている。
【００３２】
ここで図５を参照すると、本発明のもう一つの実施形態による図３のトランスデューサ・アレイ１４２と共に用いられる介在層１７２のさらに詳細な図が示されている。介在層１７２は、単層の非導電性有機基材１７４で形成されるものとして示されている。基材１７４は例えばポリイミドで形成されていてよく、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材１７４には、複数の穿孔１７８を形成されて有する金属シート１７６が埋め込まれている。複数のビア１８０が基材１７４に形成されており、基材の上面から背面まで金属シート１７６の穿孔１７８を通して延在する貫通ビアとして構成されている。図５の実施形態によれば、ビア１８０は、図３に示すようなトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材１７４に形成されている。このようなものとして、ビア１８０は、金属シートの穿孔のピッチに依存して金属シート１７６の穿孔１７８の各々を通して又は穿孔の一部のみを通して形成され得る。有益なこととして、金属シート１７６は、介在層１７２が被るｘ方向及びｙ方向の熱膨張の量を、有機材料の基材のみで形成された介在層と比較して低減する。実施形態の一例によれば、金属シートは、全介在層構造の２５％未満を構成する。
【００３３】
図５にさらに示すように、ビア１８０の各々は、介在層１７２を通して電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料１８２で充填されている。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料１８２は基材１７４の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア１８０の内部に含まれる充填材料１８２は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。複数の接続パッド１８４が、介在層１７２の上面及び底面でビア１８０の各々に対応する位置に配置されている。このように、充填材料１８２及び接続パッド１８４は、図３に示すように、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１とトランスデューサ・アセンブリ１４２のトランスデューサ素子１４４の各々との間に電気的接続／経路を設けている。
【００３４】
ここで図６を参照すると、本発明のもう一つの実施形態による図３のトランスデューサ・アレイ１４２と共に用いられる介在層１８６のさらに詳細な図が示されている。介在層１８６は、複数の別個の基材の層１８８、１９０、１９２を有する多層構造として形成されるものとして示されている。介在層１８６は、底面層１８８、中間層１９０及び最上層１９２の三つの基材層を含むものとして示されているが、さらに多数又は少数の層も具現化され得ることが思量される。基材層１８８、１９０、１９２の各々は、ポリイミドのような低音響インピーダンス（例えば１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満）を有する非導電性有機基材で形成されている。基材層１８８、１９０、１９２の各々は、層の前面から当該層の背面まで延在する複数のビア１８０を形成されて含んでいる。図６の実施形態によれば、基材層１８８、１９０、１９２の各々に形成されたビア１９４のピッチは互いに異なっており、第一のピッチを有するトランスデューサ素子１４４（及び音響素子１４６）（図３）並びに第一のピッチと異なる第二のピッチを有するビームフォーミング電子回路１５６（図３）の相互接続パッド１６１に対する介在層１８６の接続を可能にしている。
【００３５】
図６に示すように、底面基材層１８８に形成されたビア１９４は、ビームフォーミング電子回路１５６の相互接続パッド１６１のピッチに合致する第一のピッチを有する。本発明の実施形態の一例によれば、底面基材層１８８のビア１６６の各々が金属相互接続１９６を形成されて有する。金属相互接続１９６は、銅のような伝導性材料の薄層（例えば１ミクロン〜１０ミクロン厚）で形成されており、各々の相互接続はビアと実質的に一致し且つ基材層１８８の上面にまで延在するように刻印されている。底面基材層１８８のビア１９４の各々はまた、低インピーダンスの非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンス（例えば約３MRayl）を有するビア構造を形成する。複数の接続パッド１７０が、底面基材層１８８の底面でビア１９４の各々に対応する位置に配置されている。
【００３６】
ビア１９４はまた、中間基材層１９０にも形成されており、中間基材層のビアは底面基材層１８８のビアのピッチとは異なる第二のピッチを有する。中間基材層１９０のビア１９４は、底面層ビアの金属相互接続１９６と重なり合う／交差するような位置に形成されており、底面基材層１８８と中間基材層１９０との間に電気的接続が形成され得るようにしている。底面基材層１８８と同様に、中間基材層１９０のビア１９４の各々もまた金属相互接続１９６を形成されて有し、金属相互接続はビアを通して下方に延在し、また基材層１９０の上面まで延在している。中間基材層１９０のビア１９４の各々は非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで下方に延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンスを有するビア構造を形成する。
【００３７】
ビア１９４はまた、最上基材層１９２にも形成されており、最上基材層のビアは底面基材層及び中間基材層１８８、１９０のビアのピッチと異なる第三のピッチを有する。最上基材層１９２のビア１９４は、中間層ビアの金属相互接続１９６と重なり合う／交差するような位置に形成されており、中間基材層１９０と最上基材層１９２との間に電気的接続が形成され得るようにしている。最上基材層１９２のビア１９４のピッチはまた、トランスデューサ素子１４４（及び音響素子１４６）のピッチに合致する。最上基材層１９２のビア１９４の各々もまた金属相互接続１９６を形成されて有しており、金属相互接続はビアを通して下方に延在し、また最上基材層１９２の上面まで延在し、最上基材層の外側に面した表面に延在して接続パッドを形成することができる。最上基材層１９２のビア１９４の各々は非導電性充填材料１９８で充填されており、充填材料はビアの内部まで下方に延在する金属相互接続の上に堆積させられて、基材層と実質的に類似した音響インピーダンスを有するビア構造を形成する。複数の接続パッド１７０が、最上基材層１９２の上面でビア１９４の各々に対応する位置に配置されている。
【００３８】
介在層１８６の多層基材は、外側に面した表面での接続パッド１７０の再取り回しを可能にするので、底面基材層１８８の上の接続パッドは最上基材層１９２の接続パッドとは異なるピッチを有する。このように、介在層１８６は、第一のピッチを有するトランスデューサ素子１４４の第一のピッチとは異なる第二のピッチで相互接続パッドを有するビームフォーミング電子回路１５６への接続を可能にしている。
【００３９】
図４〜図６の実施形態の各々において、介在層に形成される伝導性素子／経路は、薄い金属の伝導性相互接続と併せて用いられる伝導性エポキシ又は非伝導性エポキシの形態を取り得ることが認められる。このように、図４〜図６の実施形態の各々での伝導性素子の特定の形態は、伝導性素子の代替的な形態によって置換され得る。例えば、図４の実施形態で述べた伝導性エポキシは、薄い金属の伝導性相互接続と併せて用いられる非伝導性エポキシに置き換えることができ、同様の置換は図５及び図６の実施形態の各々についても行なわれ得る。
【００４０】
ここで図７を参照すると、本発明の一実施形態による図３に示すトランスデューサ・アセンブリ１４２のような例示的なトランスデューサ・アセンブリを製造する例示的な工程２００において作製される段階的構造が示されている。工程は、介在層２０４を設けるステップ２０２から開始される。図７の実施形態では、介在層２０４を単層基材２０４から形成されるものとして示しているが、図６の実施形態に従って多層基材も設けられ得ることが認められる。介在層基材２０６は、例えばポリイミドで形成され得る非導電性有機基材であり、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する。基材には複数のビア２０８が形成され、これらのビアは基材２０６の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成される。図７の実施形態によれば、ビア２０８は、以下で説明するように、トランスデューサ・アセンブリ１４２（図３）のトランスデューサ素子１４４（及び音響層１４６）と同一の間隔又はピッチを有するように基材２０６に形成される。ビア２０８の各々は、介在層２０４を通る電気的接続又は経路を設ける導電性充填材料２１０で充填される。本発明の実施形態の一例によれば、充填材料２１０は基材２０６の音響インピーダンスに類似した音響インピーダンスを有する。例えば、ビア２０８の内部に含まれる充填材料２１０は、約３MRaylの音響インピーダンスを有する銀エポキシであってよい。次いで、複数の接続パッド２１２が、介在層２０６の上面及び底面でビア２０８の各々に対応する位置に追加される。
【００４１】
介在層２０４の形成に続いて、ステップ２１４においてトランスデューサ・アセンブリ１４２（図３を参照）のような例示的なトランスデューサ・アセンブリが形成される。上面及び底面を有する音響層２１６が設けられる。電極（図示されていない）が、音響層２１６の上面及び底面にスパッタリング及び／又はめっきで付着し得る。認められるように、電極は、特に接地電極及び信号電極について、異なる物理的構成を有していてよい。一実施形態では、電極は巻き付け構成を含み得る。音響層２１６は、約５０ミクロン〜約６００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。
【００４２】
上面及び底面を有する第一のマッチング層２１８が音響層２１６の上面に配設され得る。第一のマッチング層２１８は、約４０ミクロン〜約３００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。続いて、上面及び底面を有する第二のマッチング層２２０が、第一のマッチング層２１８の上面に配設され得る。第一のマッチング層２１８に関して記載されるように、第二のマッチング層２２０は、約３０ミクロン〜約２５０ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。第一及び第二のマッチング層２１８、２２０は、高インピーダンスの音響層２１６と低インピーダンスの患者との間に存在し得るインピーダンス差の整合を容易にするように構成され得る。かかるトランスデューサは単一又は多数のマッチング層を含み得ることが認められよう。現在利用可能なトランスデューサは典型的には二つのマッチング層を用いており、この場合にトランスデューサでの二つのマッチング層の利用は、空間的に制約された応用での性能と積層体の厚みとの間の最善の兼ね合いに相当し得る。
【００４３】
加えて、ステップ２１４では、上面及び底面を有する例示的なデマッチング層２２２を音響層２１６の底面に配設することができる。換言すると、音響層２１６の第一のマッチング層２１８が配設されている表面の裏面にデマッチング層２２２を配設することができる。さらに、デマッチング層２２２は約５０ミクロン〜約５００ミクロンの範囲の厚みを有するように構成され得る。さらに、認められるように、デマッチング層２２２は、導電性の基材で形成されるか、伝導性ビア構造を形成した非導電性基材で形成されるかの何れかによって、導電性となるように構成することができる。このように、ダイス切断前の音響積層体２２４が、第二のマッチング層２２０、第一のマッチング層２１８、音響層２１６及びデマッチング層２２２を積み重ねて各層を共に結合することにより形成され得る。
【００４４】
ステップ２１４を引き続き参照して述べると、介在層２０４は、デマッチング層２２２の底面に結合される。かかる結合は、圧縮結合、金スタッド・バンプ結合、伝導性エポキシ、はんだリフロー、異方伝導性フィルム、又は他の方法を含む幾つかの公知の方法の任意のものによって実行することができる。上で述べたように、介在層２０４は、デマッチング層２２２の音響インピーダンスよりも実質的に低い音響インピーダンスを有する。さらに図７に示すように、上面及び底面を有する基材２２６を選択することができる。基材２２６は、プラスチック、金属、セラミック、シリコン、ポリマー又はガラスの一つを含み得る。基材２２６は、作製工程時にトランスデューサ・アセンブリに機械的強度を与えるように構成され得ることが特記され得る。
【００４５】
ステップ２２８は、トランスデューサ・アセンブリをダイス切断して複数のトランスデューサ素子を形成するステップを表わしている。従って、１又は複数の鋸切り溝２３０が、第二のマッチング層２２０、第一のマッチング層２１８、音響層２１６、及びデマッチング層２２２を通して延在し得る。本発明のさらに他の観点によれば、１又は複数の鋸切り溝２３０は介在層２０４まで部分的に延在していてもよい。ステップ２２８での四つの層のダイス切断の結果として、複数のトランスデューサ素子２３２を形成することができる。
【００４６】
ステップ２３４では、複数のトランスデューサ素子２３２の間の素子間の空間に切り溝充填材２３６を配設することができる。代替的には、トランスデューサ素子２３２の各々の間に空気が存在するように切り溝２３０を充填せずに残してもよい。切り溝充填剤２３６は、充填又は無充填のシリコン又はエポキシを含み得る。また、切り溝充填剤２３６は、素子間空間２３０を充填することによりトランスデューサ・アセンブリを機械的に強化するように構成されることができ、これにより脆性を小さくしさらに信頼性の高いアセンブリを得ることができる。切り溝充填剤２３６は、低剪断剛性又は高剪断減弱性を有するように構成されることができ、これにより素子間クロストークを最小にする。ステップ２３４に続いて、ステップ２３８において基材２２６を取り除いてビームフォーミング電子回路２４０を介在層の底面に結合することができ、圧縮結合、金スタッド・バンプ結合、伝導性エポキシ、はんだリフロー、異方伝導性フィルム、又は他の方法によって結合することができる。また、損失性バッキング層１６３をビームフォーミング電子回路２４０の背面に追加することができる。図７に示すように、ビームフォーミング電子回路２４０の相互接続パッド２４２の間隔又はピッチは、ビームフォーミング電子回路２４０と介在層２０４との間に電気的接続が形成されるように、介在層２０４の接続パッド２１２のピッチに合致している。
【００４７】
図７において述べた製造工程以外に、トランスデューサ・アセンブリ１４２を構築する代替的な製造工程を具現化し得ることが認められる。例えば、代替的な製造工程の実施形態によれば、基材２２６を製造工程から省くことができる。一実施形態によれば、製造工程は、介在層２０４をビームフォーミング電子回路２４０に取り付けることから開始することができる。次いで、音響積層体２２４を介在層２０４及びビームフォーミング電子回路２４０（支持を提供する）の上に組み立てることができ、これにより基材２２６の必要性をなくすことができる。もう一つの実施形態によれば、音響積層体２２４を介在層２０４のみの上に組み立てることができる。次いで、ビームフォーミング電子回路２４０がトランスデューサ素子２３２の形成工程を受けないように、ビームフォーミング電子回路２４０を引き続き介在層２０４に取り付ける。もう一つの実施形態によれば、音響積層体２２４は第二のマッチング層２２０の追加の前にダイス切断されることができ、第二のマッチング層が連続的な層のままとなり、この層の底面に施工される伝導性フィルム（図示されていない）と共にトランスデューサ素子２３２の各々に電気的接地接続を提供するようにする。
【００４８】
ここで図８を参照すると、本発明の一実施形態によれば、トランスデューサ素子及びビームフォーミング電子回路の相互接続への同時接続を可能にするように構成されている介在層２５０が設けられる。介在層２５０は、図３に記載されるようなトランスデューサ素子２５６への結合のための第一の接続領域２５２と、ビームフォーミング電子回路２５８への結合のための第二の接続領域２５４とを含んでいる。介在層２５０の第一の接続領域２５２及び第二の接続領域２５４は、ビームフォーミング電子回路２５８の上の第一及び第二の群の相互接続パッド２６０、２６２に対応している。第一の群の相互接続パッド２６０はビームフォーミング電子回路２５８の中央部分の内部に配置されてトランスデューサ素子２５６と関連するが、第二の群の相互接続パッド２６２はビームフォーミング電子回路２５８の１又は複数の端辺に沿って配置されて信号入出力（Ｉ／Ｏ）、電力及び制御の各作用を提供するシステム接続に関連する。
【００４９】
図３〜図７において議論された介在層と同様に、介在層２５０は非導電性有機基材２６４で形成される。実施形態の一例によれば、基材２６４は、約１０MRayl未満、好ましくは５MRayl未満の音響インピーダンスを有する非導電性材料で形成される。有機基材２６４は、例えばポリイミドで構成されており、全厚が約２５ミクロン〜約５００ミクロンの範囲にあり、好ましくは１２５ミクロンよりも厚い。低音響インピーダンス材料で形成される介在層２５０は、デマッチング層２８０、介在層２５０及び集積回路２５８が音響反射体としてさらに効率よく作用することを可能にする。デマッチング層２８０とビームフォーミング電子回路２５８との間に低音響インピーダンスの介在層２５０を配置すると、ビームフォーミング電子回路の実効音響インピーダンスが顕著に上昇し、これによりトランスデューサ素子２５６の前面／上面から音波エネルギの大半を反射させる。
【００５０】
図８に示すように、介在層２５０の基材２６４は第一の層２６６及び第二の層２６８を含んでいるが、他の単層基材又は多層基材も具現化され得ることが認められる。実施形態の一例によれば、第二の接続領域２５４では、基材２６４の第一の層２６６が、ビームフォーミング電子回路２５８とケーブル・フレックス回路のようなシステム接続（図示されていない）との間で信号を伝える信号Ｉ／Ｏとして作用する。基材２６４の第二の層２６８は、システム接続からビームフォーミング電子回路２５８へ電力／制御信号を供給する電力及び制御層として作用する。
【００５１】
介在層２５０の第一の接続領域２５２は複数のビア２７０を形成されて含んでおり、ビアは基材の前面から背面まで延在する貫通ビアとして構成されている。図４に関して上で述べたように、ビア２７０は、トランスデューサ素子２５６の間隔又はピッチ、及びビームフォーミング電子回路２５８の群２６０の相互接続パッド（例えばバンプ接続）のピッチと同一の間隔又はピッチを有するように基材２６４に形成される。ビア２７０の各々は、導電性充填材２７２（例えば銀エポキシ）で又は薄い金属伝導性相互接続及び非導電性エポキシで充填されており、この相互接続が介在層２５０を通してビームフォーミング電子回路２５８の第一の群の相互接続パッド２６０及びトランスデューサ素子２５６の各々に電気的接続又は経路を設けている。
【００５２】
介在層２５０の第二の接続領域２５４は、ケーブル・フレックス回路のようなシステム相互接続からビームフォーミング電子回路２５８へ電力及び制御命令を送信するように作用する。このように、第二の接続領域２５４は、当該領域を走行する伝導性トレース（図示されていない）、並びにビームフォーミング電子回路２５８の上の第二の群の相互接続パッド２６２に対応する一連のパッド接続２７４及び／又はビア２７０（伝導性エポキシ２７２で充填されている）を含んでいる。実施形態の一例によれば、介在層２５０の上の接続パッド２７４は、第一の基材層２６６を第二の群の相互接続パッド２６２の相互接続パッドに電気的に結合して、ビームフォーミング電子回路２５８に信号Ｉ／Ｏを提供する。ビームフォーミング電子回路２５８に電力及び制御信号を提供するためには、第二の基材層２６８は、第一の基材層２６６（導電性材料で充填されている）を通して延在する単層ビア２７６（伝導性エポキシ２７２で充填されている）、及び接続パッド２７４を経由して、第二の群の相互接続パッド２６２のもう一つの相互接続パッドに電気的に結合される。また、第二の群の相互接続パッド２６２のもう一つの相互接続パッドと電気的接地２７８との間の接地／二重電力接続が介在層２５０によって提供される。すなわち、伝導性エポキシ２７２で充填された貫通ビア２７０が基材２６４を通して形成され、第二の群の相互接続パッド２６２の相互接続パッドを導電性のデマッチング層２８０に電気的に結合し、デマッチング層が電気的接地２７８にさらに結合される。
【００５３】
図８に示すように、実施形態の一例によれば、トランスデューサ素子２５６を形成する音響積層体は、第一の接続領域２５２及び第二の接続領域２５４の両方をカバーするのに十分な寸法を有する。製造工程時に、成層した音響積層体が介在層２５０（第一及び第二の接続領域２５２、２５４をカバーする）の一方の側面に積層され、図７において述べたようなトランスデューサ素子２５６の２Ｄアレイに加工される。次いで、接合されたトランスデューサ素子及びフレックス回路は、第一の接続領域２５２（及びトランスデューサ素子２５６）が音響送受波信号に関連する第一の群の相互接続パッド２６０に電気的に接合され、また第二の接続領域２５４が信号Ｉ／Ｏ、電力及び制御作用に関連する第二の群の相互接続パッド２６２に電気的に接合されるように、ビームフォーミング電子回路２５８の上に接着剤を用いて圧着積層される。有益なこととして、介在層２５０は、トランスデューサ素子のアレイをビームフォーミング電子回路２５８の表面に取り付けることなく構築する（各構成要素を積層し、研磨し、清浄化し、ダイス切断する等）ことを可能にし、これによりビームフォーミング電子回路への損傷の可能性を制限する。加えて、介在層２５０は、トランスデューサ素子２５６並びに介在層の信号Ｉ／Ｏ、電力及び制御接続に対するビームフォーミング電子回路２５８の同時接続を可能にし、システム相互接続への容易な接続を提供する。
【００５４】
従って、本発明の一実施形態によれば、超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、デマッチング層に結合されており基材及び複数の伝導性素子を含む介在層とを含んでおり、介在層はデマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する。この超音波トランスデューサはまた、介在層に結合されておりデマッチング層及び介在層を通して音響素子のアレイに電気的に接続されている集積回路を含んでいる。
【００５５】
本発明のもう一つの実施形態によれば、超音波トランスデューサを製造する方法が、介在層を設けるステップと、介在層に複数のビアを形成するステップと、ビアの内部に導電性材料を追加するステップと、音響層をデマッチング層に結合するステップとを含んでおり、デマッチング層は、音響層の音響インピーダンスよりも高く介在層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有する。この方法はまた、介在層をデマッチング層に結合するステップと、ビームフォーミング電子回路パッケージを介在層に結合するステップとを含んでおり、ビームフォーミング電子回路パッケージは、複数の接続パッドを形成されて有し、介在層を経由して音響層に電気的に結合される。
【００５６】
本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、侵襲型プローブ用に構成された超音波トランスデューサが、音響素子のアレイを有する音響層と、音響層に結合されており音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層と、音響層に信号を送り音響層から信号を受けるように構成されており複数の接続パッドを形成されて有するビームフォーミング電子回路とを含んでいる。この超音波トランスデューサはまた、デマッチング層に結合された介在層を含んでおり、介在層はさらに、デマッチング層の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有し複数のビアを形成されて有する非導電性基材と、ビームフォーミング電子回路を音響層に電気的に接続するように構成されており、複数のビアを通して延在する複数の導電性経路を有する第一の接続領域と、ビームフォーミング電子回路を信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に電気的に接続するように構成されている第二の接続領域とを含んでいる。
【００５７】
この書面の記載は、最適な態様を含めて本書において本発明を開示し、また任意の装置又はシステムを製造して利用すること及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めてあらゆる当業者が本発明を実施することを可能にするように実例を用いている。本発明の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲によって画定され、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造的要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００５８】
１００ 超音波システム
１０２ 送波器
１０４ 素子のアレイ
１０６ 超音波トランスデューサ
１０８ 受波器
１１０ ビームフォーミング電子回路
１１２ ＲＦプロセッサ
１１４、１２２ メモリ
１１６ プロセッサ・モジュール
１１８ 表示器
１２４ ユーザ・インタフェイス
１３０ ３Ｄ対応小型超音波システム
１３２ トランスデューサ
１３４ ユーザ・インタフェイス
１３６ 一体型表示器
１３８ 外部装置
１４０ 有線網又は無線網
１４２ トランスデューサ・アセンブリ
１４４ トランスデューサ素子のアレイ
１４５ 所望の素子間間隔又はピッチ
１４６ 音響層
１４８ 第一のマッチング層
１５０ 第二のマッチング層
１５１ 導電性薄膜
１５２ デマッチング層
１５４ 介在層
１５６ 集積回路
１５８ 基材
１６０ 伝導性素子
１６１ 相互接続パッド
１６２、１７２、１８６ 介在層
１６３ 損失性バッキング層
１６４、１７４ 基材
１６６、１８０、１９４ ビア
１６８、１８２、１９８ 充填材
１７０、１８４ 接続パッド
１７６ 金属シート
１７８ 穿孔
１８８、１９０、１９２ 基材層
１９６ 金属相互接続
２０４ 介在層
２０６ 基材
２０８ ビア
２１０ 充填材
２１２ 接続パッド
２１６ 音響層
２１８ 第一のマッチング層
２２０ 第二のマッチング層
２２２ デマッチング層
２２４ ダイス切断前の音響積層体
２２６ 基材
２３０ 鋸切り溝
２３２ トランスデューサ素子
２３６ 切り溝充填材
２４０ ビームフォーミング電子回路
２４１ 損失性バッキング層
２４２ 相互接続パッド
２５０ 介在層
２５２ 第一の接続領域
２５４ 第二の接続領域
２５６ トランスデューサ素子
２５８ ビームフォーミング電子回路
２６０ 第一の群の相互接続パッド
２６２ 第二の群の相互接続パッド
２６４ 有機基材
２６６ 第一の層
２６８ 第二の層
２７０ ビア
２７２ 充填材
２７４ パッド接続部
２７６ 単層ビア
２７８ 電気的接地
２８０ デマッチング層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響素子のアレイを有する音響層（１４６）と、
該音響層（１４６）に結合されており該音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層（１５２）と、
該デマッチング層（１５２）に結合されており基材（１５８）及び複数の伝導性素子（１６０）を含んでいる介在層（１５４）であって、前記デマッチング層（１５２）の前記音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する介在層（１５４）と、
該介在層（１５４）に結合されており前記デマッチング層（１５２）及び前記介在層（１５４）を通して前記音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続されている集積回路（１５６）と
を備えた超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項２】
前記介在層の基材（１５８）は、複数のビア（１６６）を形成されて有する非導電性基材を含んでおり、
前記複数の伝導性素子（１６０）は、前記複数のビア（１６６）の各々に導電性経路を含んでいる、請求項１に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項３】
前記基材（１５８）及び前記導電性経路（１６０）の各々が、約１０MRayl未満の音響インピーダンスを有している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項４】
前記導電性経路（１６０）は、前記複数のビア（１６６）の各々に充填された銀エポキシ（１８２）を含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項５】
前記導電性経路（１６０）は、
前記基材（１５８）の上に形成されており、前記複数のビア（１６６）の各々を通して延在している導電性の金属相互接続（１９６）と、
各々の金属相互接続（１９６）を覆って前記複数のビア（１６６）の各々の残部に充填された非導電性エポキシ（１９８）と
を含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項６】
前記介在層（１５４）は、前記基材（１５８）に埋め込まれて複数の穿孔（１７８）を形成されて有する金属芯材（１７６）をさらに含んでおり、
前記複数のビア（１６６）は、前記複数の穿孔（１７８）の少なくとも一部を通して延在している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項７】
前記介在層（１５４）は、
前記集積回路（１５６）を前記音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続するように構成されており、前記複数のビア（１６６）を形成されて有する第一の接続領域（２５２）と、
信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に前記集積回路（１５６）を電気的に接続するように構成されている第二の接続領域（２５４）とを含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項８】
前記第二の接続領域（２５４）は、パッド接続、トレース接続、エポキシ充填単層ビア、及びエポキシ充填貫通ビアの少なくとも一つを含んでいる、請求項７に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項９】
前記基材（１５８）に形成された前記複数のビア（１６６）のピッチが、前記音響素子のアレイ（１４６）のピッチに合致している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項１０】
前記介在層（１５４）の反対側で前記集積回路（１５６）の背面に結合された損失性バッキング層（１６３）をさらに含んでいる請求項１に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項１】
音響素子のアレイを有する音響層（１４６）と、
該音響層（１４６）に結合されており該音響層の音響インピーダンスよりも高い音響インピーダンスを有するデマッチング層（１５２）と、
該デマッチング層（１５２）に結合されており基材（１５８）及び複数の伝導性素子（１６０）を含んでいる介在層（１５４）であって、前記デマッチング層（１５２）の前記音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する介在層（１５４）と、
該介在層（１５４）に結合されており前記デマッチング層（１５２）及び前記介在層（１５４）を通して前記音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続されている集積回路（１５６）と
を備えた超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項２】
前記介在層の基材（１５８）は、複数のビア（１６６）を形成されて有する非導電性基材を含んでおり、
前記複数の伝導性素子（１６０）は、前記複数のビア（１６６）の各々に導電性経路を含んでいる、請求項１に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項３】
前記基材（１５８）及び前記導電性経路（１６０）の各々が、約１０MRayl未満の音響インピーダンスを有している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項４】
前記導電性経路（１６０）は、前記複数のビア（１６６）の各々に充填された銀エポキシ（１８２）を含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項５】
前記導電性経路（１６０）は、
前記基材（１５８）の上に形成されており、前記複数のビア（１６６）の各々を通して延在している導電性の金属相互接続（１９６）と、
各々の金属相互接続（１９６）を覆って前記複数のビア（１６６）の各々の残部に充填された非導電性エポキシ（１９８）と
を含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項６】
前記介在層（１５４）は、前記基材（１５８）に埋め込まれて複数の穿孔（１７８）を形成されて有する金属芯材（１７６）をさらに含んでおり、
前記複数のビア（１６６）は、前記複数の穿孔（１７８）の少なくとも一部を通して延在している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項７】
前記介在層（１５４）は、
前記集積回路（１５６）を前記音響素子のアレイ（１４６）に電気的に接続するように構成されており、前記複数のビア（１６６）を形成されて有する第一の接続領域（２５２）と、
信号入出力接続、電力及び制御接続、並びに接地及び二重電力接続の少なくとも一つを含むシステム接続に前記集積回路（１５６）を電気的に接続するように構成されている第二の接続領域（２５４）とを含んでいる、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項８】
前記第二の接続領域（２５４）は、パッド接続、トレース接続、エポキシ充填単層ビア、及びエポキシ充填貫通ビアの少なくとも一つを含んでいる、請求項７に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項９】
前記基材（１５８）に形成された前記複数のビア（１６６）のピッチが、前記音響素子のアレイ（１４６）のピッチに合致している、請求項２に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【請求項１０】
前記介在層（１５４）の反対側で前記集積回路（１５６）の背面に結合された損失性バッキング層（１６３）をさらに含んでいる請求項１に記載の超音波トランスデューサ（１０６）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−４３９５（Ｐ２０１１−４３９５Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３１５６５（Ｐ２０１０−１３１５６５）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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