JP2018502467A

JP2018502467A - ３ポート圧電超音波トランスデューサ

Info

Publication number: JP2018502467A
Application number: JP2017518497A
Authority: JP
Inventors: ヒリシケシュ・ヴィジャイクマール・パンチャワグ; ハオ−イェン・タン; イペン・ル; コスタディン・ディミトロフ・ジョルジェフ; スールヤプラカーシュ・ガンティ; デイヴィッド・ウィリアム・バーンズ; ラヴィンドラ・ヴァマン・シェノイ; ジョン・ブラッドリー・ラシター; ナイ−クエイ・クオ; フィラス・サムモウラ
Original assignee: クアルコム，インコーポレイテッド
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CN106999985B; CN107107114B; CN106794487B; US20160131747A1; EP3206804A1; CN107107114A; CA2961645A1; US20160107194A1; CA2961645C; EP3207497A1; US20160132187A1; US10001552B2; US10139479B2; CN106999985A; EP3206804B1; CN106794487A; KR102004061B1; KR20170066434A; BR112017007742B1; BR112017007742A2

Abstract

圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）が、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、ダイアフラムは、圧電層を含む圧電層スタックと、送受信機回路と電気的に結合された第１の電極と、送受信機回路と電気的に結合された第２の電極とを含む。第１の電極はダイアフラムの第１の部分内に配置されてよく、第２の電極はダイアフラムの第２の別々の部分内に配置されてよい。第１の電極および第２の電極の各々は、圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、第１の表面は空洞の反対側にある。ＰＭＵＴは、第１の時間期間中に第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信し、第２の時間期間中に第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信するように構成され、第１の時間期間および第２の時間期間は少なくとも部分的に重複している。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１０月１５日に出願した「ＴＨＲＥＥ−ＰＯＲＴＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」と題する米国仮特許出願第６２／０６４，４１６号、２０１４年１０月１５日に出願した「ＡＣＴＩＶＥＢＥＡＭ−ＦＯＲＭＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＡＲＲＡＹ」と題する米国仮特許出願第６２／０６４，４１７号、２０１４年１０月１５日に出願した「ＳＵＰＥＲＰＩＸＥＬＡＲＲＡＹＯＦＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳＦＯＲ２−ＤＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧ」と題する米国仮特許出願第６２／０６４，４１８号、２０１５年１０月１４日に出願した「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＰＩＸＥＬＡＮＤＲＥＡＤＯＵＴ」と題する米国仮特許出願第６２／２４１，６５１号、２０１５年１０月１４日に出願した「ＴＨＲＥＥ−ＰＯＲＴＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ」と題する米国特許出願第１４／８８３，５８３号、２０１５年１０月１４日に出願した「ＡＣＴＩＶＥＢＥＡＭ−ＦＯＲＭＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＦＯＲＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＡＲＲＡＹ」と題する米国特許出願第１４／８８３，５８５号、および２０１５年１０月１４日に出願した「ＳＵＰＥＲＰＩＸＥＬＡＲＲＡＹＯＦＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳＦＯＲ２−ＤＢＥＡＭＦＯＲＭＩＮＧ」と題する米国特許出願第１４／８８３，５８６号の優先権を主張するものであり、それらの開示の全体が、参照により本出願に組み込まれる。

本開示は、圧電トランスデューサ、および圧電トランスデューサを製作し、動作させるための技法に関し、より詳細には、電子センサアレイにおける使用、または、生体感知、撮像、およびタッチ認識もしくはジェスチャ認識のための対話型ディスプレイにおける使用に適した圧電超音波トランスデューサに関する。

薄膜圧電音響トランスデューサは、指紋センサ、ジェスチャ検出、マイクロフォンおよびスピーカ、超音波撮像、化学センサなどの、生体センサを含む多くの用途に対する魅力的な候補である。そのようなトランスデューサは、空洞の上に配置された圧電層スタックおよび機械層を含む多層スタックとして構成された圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）を含んでよい。圧電層スタックは、圧電材料の層を含んでよい。圧電層の上面および下面の各々の上または近傍に、それぞれの上部および下部電極層が配置されてよい。電極層は、パターニングされても、パターニングされなくてもよい。

図１Ａを参照すると、圧電超音波トランスデューサ１００は、空洞１２０の上でアンカー構造１７０によって支持されたダイアフラムを形成するように配置された圧電層スタック１１０および機械層１３０を含むように構成されてよい。圧電層スタック１１０は圧電層１１５を含み、関連する下部電極１１２および上部電極１１４がそれぞれ、圧電層１１５の下および上に配置されている。空洞１２０は、たとえば、シリコンウェハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハなどの半導体基板１６０の中に、または薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）回路を有するガラス基板もしくはポリマーの基板として形成されてよい。

次に図１Ｂを参照すると、動作中、圧電層スタック１１０および機械層１３０は、送受信機回路１０１０によって下部電極１１２および上部電極１１４にわたって印加される時変の励起電圧に応答して振動を引き起こされ得る。その結果、たとえば超音波周波数帯域内の周波数を有する１つまたは複数の超音波圧力波１２２が、伝搬媒体１２４中に伝搬し得る。いくつかの実装形態では、伝搬媒体１２４には、空気、プラテン、カバーガラス、デバイス筐体、または音響結合層もしくは音響整合層が含まれることがある。同様に、圧電層スタック１１０は、伝搬媒体内の物体から反射した超音波圧力波を受信し、受信された超音波圧力波を、送受信機回路１０１０によって読み取られ得る電気信号に変換することができる。

米国特許出願公開第１４／５６９，２８０号明細書米国特許出願公開第１４／５６９，２５６号明細書

本開示のシステム、方法、およびデバイスは、いくつかの革新的態様をそれぞれ有し、それらの態様のいずれの１つも、本明細書で開示する望ましい属性を単独では担わない。

本開示で説明する主題の革新的一態様は、第１の時間期間中に送受信機回路からの信号に応答して第１の超音波信号を圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）の第１の電極を経由して送信するステップであって、ＰＭＵＴは空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、ダイアフラムは圧電層を含む圧電層スタック、第１の電極、および第２の電極を含み、第１の電極および第２の電極の各々は送受信機回路と電気的に結合される、送信するステップと、第２の時間期間中に第２の超音波信号を第２の電極を経由して受信するステップとを含む方法に関する。第１の時間期間および第２の時間期間は、少なくとも部分的に重複している。

いくつかの例では、ＰＭＵＴは、第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成されてよい。

いくつかの例では、第１の電極および第２の電極の各々は、圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、第１の表面は空洞の反対側にある。第１の電極はダイアフラムの内側部分に配置され、第２の電極はダイアフラムの外側部分に配置され、外側部分は空洞の壁に近接して、壁と第１の電極との間にある。いくつかの例では、第２の電極の一部は、空洞の壁を越えて延びてもよい。いくつかの例では、ダイアフラムは、圧電層と空洞との間に配置された第３の電極を含む。いくつかの例では、第３の電極は、第１の電極および第２の電極の各々に共通する基準電極として構成されてよい。いくつかの例では、基準電極の電圧は、接地または他の基準電圧に固定されてよい。

いくつかの例では、ダイアフラムは、アンカー構造によって支持され、空洞の上に延びてよく、ダイアフラムは、たわみ運動および振動の一方または両方を受け、ＰＭＵＴが超音波信号を受信または送信するときに第１のたわみモードで動作するように構成される。いくつかの例では、第１のたわみモードにおいて、第１および第２の電極の各々は、それぞれ、引張応力および圧縮応力の交互の期間を含む第１および第２の振動負荷サイクルを経験することがある。いくつかの例では、第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、ほぼ同相であってよい。いくつかの例では、第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、位相がずれていてもよい。いくつかの例では、第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、１８０°位相がずれていてもよい。

いくつかの例では、第２の電極は、第１の時間期間中に送信モードであり、第２の時間期間中に受信モードであるように構成されてよい。

いくつかの実装形態によれば、装置は、圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）を含み、ＰＭＵＴは、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、ダイアフラムは、圧電層を含む圧電層スタックと、送受信機回路と電気的に結合された第１の電極と、送受信機回路と電気的に結合された第２の電極とを含む。第１の電極はダイアフラムの第１の部分内に配置され、第２の電極はダイアフラムの第２の部分内に配置され、第１の部分は第２の部分から分離されている。第１の電極および第２の電極の各々は、圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、第１の表面は空洞の反対側にある。ＰＭＵＴは、第１の時間期間中に第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信し、第２の時間期間中に第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信するように構成され、第１の時間期間および第２の時間期間は少なくとも部分的に重複している。

いくつかの例では、第２の電極は、空洞の壁に近接して、壁と第１の電極との間に配置されてよい。いくつかの例では、第２の電極の一部は、空洞の壁を越えて延びてもよい。

いくつかの例では、ダイアフラムは、圧電層と空洞との間に配置された第３の電極を含んでよい。いくつかの例では、第１の電極は送信電極であり、第２の電極は受信電極であり、第３の電極は送信電極および受信電極の各々に共通する基準電極として構成される。

いくつかの例では、ダイアフラムは機械層を含んでよく、機械層は、圧電層スタックと空洞との間に置かれるか、または圧電層スタックの、空洞と反対の側面上に置かれる。

いくつかの例では、装置は、基板の上に配置されたアンカー構造をさらに含んでよく、ダイアフラムは、アンカー構造によって支持されて空洞の上に延び、ダイアフラムは、ＰＭＵＴが超音波信号を受信または送信するときにたわみ運動および振動の一方または両方を受けるように構成される。いくつかの例では、ダイアフラムは、長さＬの縦寸法とＷの幅とを有する細長い矩形として構成されてよく、ＬはＷの少なくとも２倍である。いくつかの例では、アンカー構造は、縦寸法の近位端に近接する第１の離散位置においておよび縦寸法の遠位端に近接するダイアフラムの第２の離散位置においてダイアフラムを支持してよい。いくつかの例では、アンカー構造は、ダイアフラムの中心部においてダイアフラムを支持してよい。いくつかの例では、アンカー構造は、ダイアフラムの周辺領域においてダイアフラムを支持してよい。いくつかの例では、ダイアフラムは、実質的に円形であってよい。いくつかの例では、アンカー構造は、ダイアフラムの中心部においてダイアフラムを支持してよい。

いくつかの例では、空洞は、少なくとも１つの放出穴を通して犠牲材料を除去することによって形成されてよい。いくつかの例では、放出穴は、ダイアフラムを通して配置されてよい。

いくつかの例では、第１の電極および第２の電極は、ほぼ同一平面上にあってよい。

いくつかの実装形態によれば、装置は、圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）センサおよび音響結合媒体のアレイを含む。少なくとも１つのＰＭＵＴは、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、ダイアフラムは、圧電層を含む圧電層スタックと、送受信機回路と電気的に結合された第１の電極と、送受信機回路と電気的に結合された第２の電極とを含む。第１の電極はダイアフラムの第１の部分内に配置され、第２の電極はダイアフラムの第２の部分内に配置され、第１の部分は第２の部分から分離されている。第１の電極および第２の電極の各々は、圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、第１の表面は空洞の反対側にある。ＰＭＵＴは、第１の時間期間中に第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信し、第２の時間期間中に第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信するように構成され、第１の時間期間および第２の時間期間は少なくとも部分的に重複している。音響結合媒体は、圧電層スタックの上に配置される。ＰＭＵＴは、音響結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成される。

いくつかの例では、ＰＭＵＴセンサのアレイはプラテンを含んでよく、音響結合媒体は、ＰＭＵＴセンサとプラテンとの間に配置される。

いくつかの例では、ダイアフラムは、圧電層と空洞との間に配置された第３の電極を含んでよい。いくつかの例では、第１の電極は送信電極であってよく、第２の電極は受信電極であってよく、第３の電極は送信電極および受信電極の各々に共通する基準電極として構成されてよい。

いくつかの例では、ＰＭＵＴセンサのアレイは、超音波指紋センサアレイとして構成されてよい。

いくつかの実装形態によれば、非一時的コンピュータ可読媒体は、その媒体上に記憶されたソフトウェアを有し、ソフトウェアは、第１の時間期間中に送受信機回路からの信号に応答して第１の超音波信号を圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）の第１の電極を経由して送信することであって、ＰＭＵＴは空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、ダイアフラムは、圧電層を含む圧電層スタック、第１の電極、および第２の電極を含み、第１の電極および第２の電極の各々は送受信機回路と電気的に結合される、送信することと、第２の時間期間中に第２の超音波信号を第２の電極を経由して受信することとを装置に行わせるための命令を含む。第１の時間期間および第２の時間期間は、少なくとも部分的に重複している。

本明細書で説明する主題の１つまたは複数の実装形態の細部が、本開示および添付図面で述べられる。他の特徴、態様、および利点は、本開示を検討することにより明らかになるであろう。本開示の図面および他の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性のあることに留意されたい。本開示に図示され、記載された寸法、厚さ、配置、材料などは、単なる例として行われており、限定するものとして解釈されるべきではない。様々な図面における同様の参照番号および指定は、同様の要素を示す。

圧電超音波トランスデューサの一例を示す図である。圧電超音波トランスデューサの一例を示す図である。ＰＭＵＴ超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。ＰＭＵＴ超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。ＰＭＵＴ超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。送信および受信された超音波信号を時間の関数として表す信号波形を示す図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴの断面図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴの平面図である。送受信機回路と結合された３ポートＰＭＵＴの配置を示す図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する送信および受信の電圧信号のプロットを、時間の関数として示すグラフである。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴの別の配置を示す図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する長い矩形ダイアフラムの例示的な構成を示す図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する長い矩形ダイアフラムのさらなる例示的な構成を示す図である。いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する長い矩形ダイアフラムのさらに別の例示的な構成を示す図である。様々な実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する円形ダイアフラムの例示的な構成を示す図である。様々な実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する円形ダイアフラムの例示的な構成を示す図である。様々な実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する円形ダイアフラムの例示的な構成を示す図である。いくつかの実装形態による、ＰＭＵＴセンサを動作させるための方法の一例を示す図である。いくつかの実装形態による、円形ダイアフラムおよび様々な電極構成を有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、円形ダイアフラムおよび様々な電極構成を有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、円形ダイアフラムおよび様々な電極構成を有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、円形ダイアフラムおよび様々な電極構成を有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、様々な電極構成および中央放出穴を有する円形ダイアフラムを有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、様々な電極構成および中央放出穴を有する円形ダイアフラムを有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、様々な電極構成および中央放出穴を有する円形ダイアフラムを有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、様々な電極構成および中央放出穴を有する円形ダイアフラムを有する３ポートＰＭＵＴの平面図である。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有するＰＭＵＴセンサを動作させるための方法のブロック図である。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有する３ポートＰＭＵＴの送受信機回路および様々な構成の概略図である。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有する３ポートＰＭＵＴに対するプッシュプル送信信号および例示的な受信信号のプロットを、時間の関数として示すグラフである。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの切替可能な送信／受信電極を有するＰＭＵＴセンサを動作させるための方法のブロック図である。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの切替可能な送信／受信電極を有する３ポートＰＭＵＴの送受信機回路および様々な構成の概略図である。いくつかの実装形態による、少なくとも１つの切替可能な送信／受信電極を有する３ポートＰＭＵＴに対するプッシュプル送信信号および例示的な受信信号のプロットを、時間の関数として示すグラフである。

以下の説明は、本開示の革新的態様について説明する目的で、いくつかの実装形態を対象とする。しかしながら本明細書における教示は、多くの異なる方法で適用できることは当業者には容易に認識されよう。説明される実装形態は、超音波センサまたはエミッタを含む任意のデバイス、装置、またはシステムにおいて実装され得る。たとえば、説明する実装形態は、限定はしないが、モバイル電話、マルチメディアインターネット使用可能な携帯電話、モバイルテレビジョン受信機、ワイヤレスデバイス、スマートフォン、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ワイヤレス電子メール受信機、ハンドヘルドもしくは可搬型コンピュータ、ネットブック、ノートブック、スマートブック、タブレット、手書きディジタイザ、指紋検出器、プリンタ、複写機、スキャナ、ファクシミリデバイス、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機／ナビゲータ、カメラ、デジタルメディアプレイヤ（ＭＰ３プレイヤなど）、カムコーダ、ゲーム機、腕時計、時計、計算器、テレビジョンモニタ、フラットパネルディスプレイ、電子的な読取りデバイス（たとえば、電子書籍リーダ）、モバイル健康デバイス、コンピュータモニタ、自動車ディスプレイ（走行距離計および速度計ディスプレイなどを含む）、コックピット制御部および／またはディスプレイ、カメラビューディスプレイ（車両の後方視カメラのディスプレイなど）、電子写真、電子掲示板もしくは標示、プロジェクタ、アーキテクチャ構造、マイクロ波、冷蔵庫、ステレオシステム、カセットレコーダもしくはプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、ＣＤプレイヤ、ＶＣＲ、ラジオ、可搬型記憶チップ、洗濯機、乾燥機、洗濯機／乾燥機、パーキングメータ、パッケージング（微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用途を含む電気機械システム（ＥＭＳ）用途、ならびに非ＥＭＳ用途など）、美的構造（宝石または衣服の１つに対する画像の表示など）、ならびに様々なＥＭＳデバイスなど、様々な電子デバイスに含まれる、または関連付けられ得ることが企図される。本明細書の教示はまた、限定はしないが、電子スイッチングデバイス、無線周波数フィルタ、センサ、加速度計、ジャイロスコープ、動き感知デバイス、指紋感知デバイス、ジェスチャ認識、磁気計、家庭用電子機器用の慣性構成要素、家庭用電子機器製品の部品、バラクタ、液晶デバイス、電気泳動デバイス、駆動方式、製造プロセス、および電子試験機器などの用途で使用することができる。したがって、それらの教示には、単に図に示されている実装形態に限定されることを意図するものではなく、代わりに、当業者には容易に明らかになるように、広範囲にわたる適用例を有している。

本開示のシステム、方法、およびデバイスは、それぞれいくつかの革新的な態様を有するが、それらのうちのいずれも、本明細書に開示の所望の属性を単独で担わない。本開示で説明する主題は、圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）の中に実装することができ、ＰＭＵＴのいくつかの態様は、本発明の譲受人に譲渡され、すべての目的のためにその全体が参照により本出願に組み込まれている、２０１４年１２月１２日に出願した、「ＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳＡＮＤＤＩＳＰＬＡＹ」と題する米国特許出願第１４／５６９，２８０号と、２０１４年１２月１２日に出願した、「ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＡＮＤＰＲＯＣＥＳＳ」と題する米国特許出願第１４／５６９，２５６号とにおいて説明されている。本開示で説明する主題の革新的な一態様は、１つの圧電層スタックおよび３つ以上電極を含む多層ダイアフラム構造を含む多層スタックとして構成されたＰＭＵＴ内に実装され得る。３つの電極は、関連する送受信機回路に送信する信号およびそこから受信する信号の各々に対する別々の電極と、共通の基準電極または接地電極とを含んでよい。その配置は、送信タイミングおよび受信タイミングが互いに無関係であることを可能にし、それによって、たとえば、超音波の同時送受信が可能になる。いくつかの実装形態では、送信および受信の電極は、同じ電極層内に形成されてよい。

いくつかの実装形態では、送信電極および受信電極の各々は、屈曲中に異なる方向の機械的応力またはひずみを経験することがある。たとえば、一方の電極がダイアフラムの内部領域の近傍に配置され、他方の電極がダイアフラムの外部領域の近傍に配置される場合、第２の電極の近傍の圧電層の第２の部分が圧縮を受けるのと同時に、第１の電極の近傍の圧電層の第１の部分は引張を受けることがある。「屈曲域」と呼ばれることがある境界または境界領域は、圧電層のそのような部分の間に位置することがある。典型的な２ポートＰＭＵＴ構造では、効率的に動作するために、送信電極／受信電極は、圧電層の引張ひずみ領域または圧電層の圧縮ひずみ領域のいずれかをカバーするために置かれ得るが、それらの両方ではない。したがって、ＰＭＵＴデバイスのダイアフラムの一部は、典型的な２ポート実装形態において使用されない。対照的に、本明細書で後述する３ポートＰＭＵＴ構造の実装形態では、送信電極および別個の受信電極が屈曲域の両側に置かれる場合、ＰＭＵＴデバイスのダイアフラムのより大きい部分が使用され、それによってデバイスの効率が改善される。その上、開示される本技法は、２つの電極の間に電気的分離をもたらすことができ、それによって、送信回路が送信電極に接続され、別個の受信回路が受信電極に接続されてよく、送信モードでの動作と受信モードでの動作との間を時間的に分離する必要がなくなる。

本開示で説明される主題の１つの革新的な態様は、ディスプレイまたは超音波指紋センサアレイの背面の下に、そのそばに、それとともに、その上に、またはその上方に３ポート圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）要素の１次元アレイまたは２次元アレイを含む装置において実施され得る。

いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴアレイは、複数の周波数範囲に対応するモードで動作するように構成可能であり得る。いくつかの実装形態では、たとえば、ＰＭＵＴアレイは、低周波数範囲（たとえば、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）に対応する低周波数モードで、または高周波数範囲（たとえば、１ＭＨｚ〜２５ＭＨｚ）に対応する高周波数モードで動作するように構成可能であり得る。高周波数モードで動作するとき、装置は、比較的より高い解像度で撮像することが可能であり得る。したがって、装置は、ディスプレイまたはセンサアレイの表面上に置かれた指などの物体から、タッチ、指紋、スタイラス、および生体情報を検出することが可能であり得る。そのような高周波数モードは、本明細書では、指紋センサモードと呼ばれることもある。

低周波数モードで動作するとき、装置は、装置が高周波数モードで動作しているときよりも、空気中への比較的大きい侵入が可能な音波を放射することが可能であり得る。そのような低周波数の音波は、カバーガラス、タッチスクリーン、ディスプレイアレイ、バックライト、ハウジングもしくは筐体、または超音波送信機とディスプレイもしくはセンサ表面との間に配置された他の層を含む、様々な上側層を介して送信され得る。いくつかの実装形態では、ポートは、ＰＭＵＴアレイから空気中への音響結合を最適化するために、上側層のうちの１つまたは複数を介して開かれ得る。低周波数音波は、ディスプレイまたはセンサ表面の上の空気中を送信され、表面の近くの１つまたは複数の物体から反射され、空気中を送信され、上側層を介して戻され、超音波受信機によって検出され得る。したがって、低周波数モードで動作するとき、装置は、ジェスチャ検出モードで動作することが可能であり得、ジェスチャ検出モードでは、ディスプレイの近くであるが必ずしもタッチするとは限らない自由空間ジェスチャが検出され得る。

代替的にまたは付加的に、いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴアレイは、低周波数範囲と高周波数範囲との間の周波数範囲（たとえば、約２００ｋＨｚ〜約１ＭＨｚ）に対応する中周波数モードで動作するように構成可能であり得る。中周波数モードで動作するとき、装置は、高周波数モードよりもいくぶん低い解像度を有するが、タッチセンサ機能を提供することは可能であり得る。

ＰＭＵＴアレイは、波面ビーム形成、ビーム操作、受信側ビーム形成、および／または戻ってきた信号の選択的読出しのためにアドレス可能であり得る。たとえば、個々の列、行、センサピクセル、および／またはセンサピクセルのグループは、個別にアドレス可能であり得る。制御システムは、平面状、円形、または円筒形の波面などの特定の形状の波面を生成するように送信機のアレイを制御し得る。制御システムは、所望の位置に強め合い干渉または弱め合い干渉を生成するように、送信機のアレイの振幅および／または位相を制御し得る。たとえば、制御システムは、タッチまたはジェスチャが検出されたかまたは検出されそうな１つまたは複数の位置に強め合い干渉を生成するように、送信機のアレイの振幅および／または位相を制御し得る。

いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴデバイスは、いくつかの例ではシリコン基板、ガラス基板またはプラスチック基板であってよい同じ基板上に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）回路で共に製作され得る。ＴＦＴ基板は、行および列アドレス指定電極と、マルチプレクサと、ローカル増幅段と、制御回路とを含み得る。いくつかの実装形態では、ドライバ段と感知段とを含むインターフェース回路は、ＰＭＵＴデバイスを励起し、同じデバイスからの応答を検出するために使用され得る。他の実装形態では、第１のＰＭＵＴデバイスは、音響送信機または超音波送信機として機能し得、第２のＰＭＵＴデバイスは、音響受信機または超音波受信機として機能し得る。いくつかの構成では、異なるＰＭＵＴデバイスは、（たとえば、ジェスチャ検出および指紋検出のための）低周波数動作および高周波数動作が可能であり得る。他の構成では、同じＰＭＵＴデバイスは、低周波数動作および高周波数動作のために使用され得る。いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴは、シリコンウェハ内に製作された能動シリコン回路を有するシリコンウェハを使用して製作され得る。能動シリコン回路は、ＰＭＵＴまたはＰＭＵＴアレイを機能させるための電子装置を含み得る。

いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴアレイは、超音波センサアレイとして構成されてよい。図２Ａ〜図２Ｃは、ＰＭＵＴ超音波センサアレイの様々な構成の断面図を示す。図２Ａは、たとえば、超音波指紋センサ、超音波タッチパッド、または超音波イメージャとして使用され得る送信要素および受信要素としてのＰＭＵＴを有する超音波センサアレイ２００ａを示す。ＰＭＵＴセンサアレイ基板２６０上のＰＭＵＴセンサ要素２６２は、超音波を放射および検出し得る。図示のように、超音波２６４は、少なくとも１つのＰＭＵＴセンサ要素２６２から送信されていてもよい。超音波２６４は、音響結合媒体２６５およびプラテン２９０ａを介して、プラテン２９０ａの外面上に置かれた指またはスタイラスなどの物体２０２に向かって進み得る。超音波２６４の一部は、プラテン２９０ａを介して物体２０２内に伝達され得るが、第２の部分は、プラテン２９０ａの表面からセンサ要素２６２に戻る方向に反射される。反射波の振幅は、物体２０２の音響特性に部分的に依存することがある。反射波は、センサ要素２６２によって検出され得、そこから物体２０２の画像が取得され得る。たとえば、約５０ミクロン（１インチあたり約５００ピクセル）のピッチを有するセンサアレイでは、指紋の隆線および谷線が検出され得る。接着剤、ゲル、コンプライアント層、または他の音響結合材料などの音響結合媒体２６５は、センサアレイ基板２６０上に配置されたＰＭＵＴセンサ要素２６２のアレイと、プラテン２９０ａとの間の結合を改善するために設けられ得る。音響結合媒体２６５は、センサ要素２６２との間の超音波の伝達を助け得る。プラテン２９０ａは、たとえば、ガラス、プラスチック、サファイア、金属、金属合金、または他のプラテン材料の層を含み得る。音響インピーダンス整合層（図示せず）が、プラテン２９０ａの外面上に配置され得る。プラテン２９０ａは、外面上に被膜（図示せず）を含むことがある。

図２Ｂは、センサおよびディスプレイ基板２６０上に共に製作されるＰＭＵＴセンサ要素２６２およびディスプレイピクセル２６６を有する超音波センサおよびディスプレイのアレイ２００ｂを示す。センサ要素２６２およびディスプレイピクセル２６６は、セルのアレイの各セル内に一緒に配置され得る。いくつかの実装形態では、センサ要素２６２およびディスプレイピクセル２６６は、同じセル内に並んで製作され得る。いくつかの実装形態では、センサ要素２６２の一部またはすべては、ディスプレイピクセル２６６の上方または下方に製作され得る。プラテン２９０ｂは、センサ要素２６２およびディスプレイピクセル２６６の上に配置され得、カバーレンズもしくはカバーガラスとして機能し得、またはカバーレンズもしくはカバーガラスを含み得る。カバーガラスは、ガラス、プラスチック、またはサファイアなどの材料の１つまたは複数の層を含み得、容量性タッチスクリーンのための設備を含み得る。音響インピーダンス整合層または被膜（図示せず）が、プラテン２９０ｂの外面上に配置され得る。超音波２６４は、カバーガラス２９０ｂ上に置かれたスタイラスまたは指などの物体２０２のための撮像能力を提供するために、１つまたは複数のセンサ要素２６２との間で送受信され得る。カバーガラス２９０ｂは、ディスプレイピクセル２６６のアレイからの光学光がカバーガラス２９０ｂを介してユーザによって見られることを可能にするために、実質的に透明である。ユーザは、カバーガラス２９０ｂの一部にタッチすることを選択することができ、そのタッチは、超音波センサアレイによって検出され得る。指紋情報などの生体情報は、たとえば、ユーザがカバーガラス２９０ｂの表面にタッチすると取得され得る。接着剤、ゲル、または他の音響結合材料などの音響結合媒体２６５は、センサアレイ基板２６０とカバーガラスとの間の音響結合、光学的結合、および機械的結合を改善するために設けられ得る。いくつかの実装形態では、結合媒体２６５は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の一部として機能し得る液晶材料であり得る。ＬＣＤの実装形態では、バックライト（図示せず）は、センサおよびディスプレイ基板２６０に光学的に結合され得る。いくつかの実装形態では、ディスプレイピクセル２６６は、発光ディスプレイピクセルを有するアモルファス発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイの一部であり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ２００ｂは、表示目的のため、およびタッチ、スタイラス、または指紋を検出するために使用され得る。

図２Ｃは、ディスプレイアレイ基板２６０ｂの背後に配置されたセンサアレイ基板２６０ａを有する超音波センサおよびディスプレイのアレイ２００ｃを示す。音響結合媒体２６５ａは、センサアレイ基板２６０ａをディスプレイアレイ基板２６０ｂに音響的に結合するために使用され得る。光学結合および音響結合媒体２６５ｂは、センサアレイ基板２６０ａおよびディスプレイアレイ基板２６０ｂを、指紋検出のためのプラテンとしても機能し得るカバーレンズまたはカバーガラス２９０ｃに光学的および音響的に結合するために使用され得る。音響インピーダンス整合層（図示せず）が、プラテン２９０ｃの外面上に配置され得る。１つまたは複数のセンサ要素２６２から送信された超音波２６４は、ディスプレイアレイ基板２６０ｂおよびカバーガラス２９０ｃを通って進み、カバーガラス２９０ｃの外面から反射され、反射された超音波が検出されて画像情報が取得され得るセンサアレイ基板２６０ａに戻る方向に進む。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ２００ｃは、視覚的情報をユーザに提供するため、および、ユーザからのタッチ、スタイラス、または指紋を検出するために使用され得る。代替的には、ＰＭＵＴセンサアレイは、ディスプレイアレイ基板２６０ｂの裏面上に形成され得る。代替的には、ＰＭＵＴセンサアレイを有するセンサアレイ基板２６０ａは、ディスプレイアレイ基板２６０ｂの裏面に取り付けられ得、センサアレイ基板２６０ａの裏面は、たとえば、接着剤層または接着剤材料（図示せず）でディスプレイアレイ基板２６０ｂの裏面に直接取り付けられる。

ＰＭＵＴアレイでは、効率、速度および解像度を改善するため、ならびに集積およびコストの利点を得るために、各ＰＭＵＴ要素が、単一のダイアフラムを有しながら、超音波信号の送信機と受信機の両方として機能することが望ましい。

特にモバイルデバイスに対して、指紋センサのスタック高さを最小化することも望ましい。その結果、ＰＭＵＴ要素と撮像される指または他の物体との間の距離は、非常に小さくなり得る。図３は、アレイの上面に置かれた約４００ミクロンの厚さのプラテンを有するＰＭＵＴアレイに対して、送信および受信された超音波信号を時間の関数として表した信号波形の例を示す。図３は、２ポートＰＭＵＴに印加された一連の５つのトーンバースト（ＴＢ）サイクル（一番上のグラフ参照）を示す。第２のグラフに示されている音響送信電力は、追加のトーンバーストサイクルが印加されるにつれて、センサスタック内に音響エネルギーが集積することを示す。印加された信号が送信（Ｔｘ）モードの終端において停止されると、送信された音響電力は減衰する。送信された超音波の一部は、プラテンの表面からＰＭＵＴアレイに戻る方向に反射することがある。第１のエコーに対するＰＭＵＴアレイにおける音響電力は、第３のグラフで示される。典型的な超音波送信機信号は、一連の１つまたは複数のトーンバースト（ＴＢ）サイクルを含んでよく、第１のサイクルからのエコーが、トーンバーストサイクルの終了前に受信機に帰還することがある。望ましくないことに、出力された超音波信号と帰還する超音波信号とが実質的に重複することがある。プラテンを通る音響経路長および音響経路内の材料の音速に大きく依存して、出力された超音波信号と帰還する超音波信号（第１のエコーに対応する）との間の時間間隔は、非常に小さい（約０．２μｓｅｃ未満）であることが観測され得る。センサスタック内部の音響波はスタック内で反響するので、第４および第５のグラフに示すように、追加のエコーが発生することがある。第６の（一番下の）グラフでは、すべての反響による音響出力が組み合わされ、プラテンの表面に置かれた物体を撮像するために最も適切なピークを検出することが困難であることを示している。送信（Ｔｘ）モードと受信（Ｒｘ）モードとの間の切り替えを必要とするシステムに対して、小さいけれども限定された時間ｔ_ｓが両モード間を切り替えるために必要であり、受信モードが有効になるまで、帰還信号を測定することが妨げられる。これは、第１のエコーからのピーク信号の取り込みを困難にすることがある。第２のエコーおよび後続のエコーからのピーク信号は引き続き振幅が減衰し、有効信号強度が減少する。

ＰＭＵＴから送受信機回路１０１０に出力される電圧は、ＰＭＵＴにおける超音波信号の振幅に関係することがある。図３の一番下のグラフに示す受信信号包絡線３１０は、音響信号の集積と、トーンバーストサイクルが停止した後の減衰とを示す。本教示がない場合には、出力された／送信された超音波信号と帰還する／受信された超音波信号との間の大幅な重複に起因して、帰還信号を検出するために、送受信機回路が、送信モードから受信モードに切り替えるために必要であることがある。電極の単一のペア（たとえば、図１Ａおよび図１Ｂに示す下部電極１１２および上部電極１１４）は送受信機回路１０１０と電気的に結合されてよいので、切替間隔時間ｔ_ｓによって示される時間的分離が、電極ペアからの送信信号と受信信号との間に設けられなければならない。本配置に対する第１の測定可能なエコーは、切替間隔時間ｔ_ｓの終了後に発生し得る。少なくとも指紋センサに対して寸法決定されたＰＭＵＴアレイに対する、ｔ_ｓおよび複数のトーンバーストサイクルに対する時間は、超音波信号の往復移動時間を大幅に超え得ることが諒解されよう。

図４Ａおよび図４Ｂは、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴの断面図および平面図を示す。ＰＭＵＴ４００は、空洞４２０の上に配置されたダイアフラム４４０を形成するように構成された、圧電層スタック４１０および機械層４３０を含む。ダイアフラム４４０は、空洞４２０の上でアンカー構造４７０によって支持される。ＰＭＵＴ４００は、１つまたは複数のたわみモードを経験するダイアフラム４４０を用いて動作するように構成されてよく、ダイアフラム４４０は、ＰＭＵＴが超音波信号を送信または受信するときに、たわみ運動および振動の一方または両方を受けることがある。圧電層スタック４１０は圧電層４１５を含み、関連する下部電極４１２が圧電層４１５の下に配置される。内部電極４１３は、ダイアフラム４４０の中心領域内の圧電層４１５の上に配置される。図示の実装形態では、外部電極４１４はまた、圧電層４１５の上に配置される。内部電極および外部電極は、圧電層４１５の表面上に配置され、実質的に同一平面上にあってよい。一例では、外部電極４１４は、外部電極４１４を３ポートＰＭＵＴ４００の周辺周りに部分的または全体的に延ばすことによって、ともに電気的に接続されてよい。別の例（図示せず）では、代替として、ダイアフラム４４０上のセグメント化された外部電極４１４が、１つまたは複数のジャンパを用いて内部的に相互接続されてよく、または１つまたは複数の電気的相互接続を用いて外部的に相互接続されてもよい。接点およびビア構造が、下にあるかまたは外部のピクセル回路と電気的に接触させるために使用されてよい。空洞４２０は、１つまたは複数のエッチチャネル４２２および放出穴４２４に接続されてよく、放出穴を通して、犠牲材料（図示せず）が、適切なエッチャントによって取り除かれて空洞４２０が形成され得る。金属材料または他の適切な材料の１つまたは複数のプラグ４２６が、放出穴４２４を封止し、ＰＭＵＴ動作中に空洞４２０内部に制御された圧力（たとえば、真空レベル）を保持するために使用されてよい。図４Ｂおよび他の図に示されるＰＭＵＴは、１つまたは複数の行および列（図示せず）を有するＰＭＵＴアレイの一部であってよく、平面図の周辺における破線は、共通の基板上に形成される追加のＰＭＵＴが、ＰＭＵＴアレイの一部としてＰＭＵＴ４００の１つまたは複数の側面上に置かれてよいことを示す。

電気的に、３ポートＰＭＵＴは、少なくとも１つの送信電極、少なくとも１つの受信電極、および少なくとも１つの基準電極を有するＰＭＵＴとして構成されてよい。多くのこれらの変形態について以下に説明する。３ポートＰＭＵＴの代替のまたは時には好ましい解釈として、電気的入力（Ｔｘ）ポート、超音波出力ポート（同じく、超音波入力ポートとしての役目を果たす）、および電気的出力（Ｒｘ）ポートを有するＰＭＵＴがある。そのような実装形態では、電気的入力ポートおよび電気的出力ポートは、それぞれ、物理的および電気的に分離されながら、（たとえば、空洞の上のダイアフラム上の）ＰＭＵＴのマイクロ構造の同じ部分の上に配置され得る。

図５は、送受信機回路５１０と結合された３ポートＰＭＵＴの配置を示す。図示の実装形態では、下部電極４１２、内部電極４１３および外部電極４１４は、送受信機回路５１０と電気的に結合され、信号送信、信号受信、および共通の基準または接地をそれぞれ提供する別々の電極として機能し得る。この配置は、送信（Ｔｘ）信号および受信（Ｒｘ）信号のタイミングが互いに無関係であることを可能にする。より詳細には、図示の配置は、圧電超音波トランスデューサ４００と送受信機回路５１０との間の信号の実質的な同時送受信を可能にする。

有利なことに、送信電極および受信電極は、たとえば、堆積、マスキングおよびエッチングの共通の製作工程中に同じ電極層の中に形成されてよい。いくつかの実装形態では、１つまたは複数の圧電層および関連する電極層が、圧電スタック（図示せず）内に含まれてよい。

さらに図５を参照すると、送受信機回路５１０は、送受信機回路５１０に関連付けられた３つの入力／出力の端子またはポートと３ポートＰＭＵＴに関連付けられた３つの電極４１２、４１３および４１４とを経由して圧電超音波トランスデューサ４００と電気的に結合されてよい。図示の実装形態では、第１の端子またはポートは下部（基準）電極４１２と電気的に結合され、第２の端子またはポートは内部（送信）電極４１３と電気的に結合され、第３の端子またはポートは外部（受信）電極４１４と電気的に結合される。

図示の配置では、外部電極４１４の近傍にある圧電層４１５の部分は、ＰＭＵＴダイアフラムの振動中に、内部電極４１３の近傍にある圧電層４１５の部分と比較して、反対の機械的応力状態にあることに留意されたい。より詳細には、図５に示される瞬間において、外部電極４１４の近傍にある圧電層４１５の部分は圧縮状態にある一方で、内部電極４１３の近傍にある圧電層４１５の部分は引張状態にある。したがって、この配置は、ダイアフラムの外部領域と比較して、ダイアフラムの内部領域上の異なる機械的ひずみ方向を使用して、送信機および受信機の効率を改善することができる。たとえば、ＰＭＵＴ空洞４２０が円形である場合、ＰＭＵＴ空洞４２０の上に配置されたダイアフラム４４０の一部（ダイアフラム４４０の「懸架部」）に対して、屈曲域は空洞半径の約６０〜７０％において存在し、すなわち、圧電層スタック４１０の同一面（たとえば、上部または下部）上の応力方向は、屈曲域の両側において反対方向になる。屈曲域の概略位置が図５の破線４１６によって示され、内部電極４１３および外部電極４１４が屈曲域の両側に示されている。

送信機および受信機の効率を最大化するために、常識的な応力（たとえば、引張または圧縮のいずれか）を有する、懸架部上の最大可能領域をカバーすることが望ましい。したがって、送信機および受信機の効率は、内部電極４１３の外周および外部電極４１４の内周を屈曲域の近くに置くことによって改善され得る。矩形または正方形のダイアフラムなど、他の形状に対して、同様の手法が電極形状を最適化するために適用されてよい。外部電極４１４の外部エッジは、空洞４２０の周辺と実質的にそろえられてよく、または（図示のように）空洞４２０の壁を超えて延びてもよい。

ＰＭＵＴダイアフラムは、ダイアフラムが空洞４２０の上に伸びることを可能にするアンカー構造４７０によって支持されてよい。ダイアフラムは、ＰＭＵＴが超音波信号を受信または送信するときに、たわみ運動を受けることができる。ＰＭＵＴダイアフラムは、超音波信号を受信または送信するときに、第１のたわみモードで動作することができる。いくつかの実装形態では、第１のたわみモードで動作するとき、内部および外部の電極は、それぞれ、引張応力および圧縮応力の交互の期間を含む第１および第２の振動負荷サイクルを経験することがある。第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、位相がずれていてもよく、すなわち、図５に示すように、屈曲域のそれぞれの側において、一方が引張である一方で他方が圧縮である。第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、約１８０°位相がずれていてもよい。以下の図８（詳細Ａ）、図９（詳細Ｄ）、図１０、図１１Ａ〜図１１Ｃ、図１３Ａ〜図１３Ｄおよび図１４Ａ〜図１４Ｃに示す実装形態など、他の実装形態では、第１の振動負荷サイクルと第２の振動負荷サイクルは、ほぼ同相であってよい。

本開示の技法は、Ｔｘ電極とＲｘ電極との間に物理的および電気的分離を提供するので、送信電極が超音波信号を放出している間に、受信電極が超音波信号を受信するように動作可能であり得る。図６は、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する送信および受信の電圧信号のプロットを、時間の関数として示す。本開示の技法の利点は、図６と図３とを比較することによって、よりよく理解され得る。図３に示す時間的に分離された送信モードおよび受信モードとは違って、本発明は、電圧信号の実質的な同時送受信を可能にする。その結果、第１のエコーが、どれほど時間的に密接にして第１のトーンバースト（ＴＢ）信号に後続するかにかかわらず、大きいエコー（たとえば、第１のエコー）が検出され得る。いくつかの実装形態では、指など、撮像されている物体からの超音波の反射は、トーンバースト信号と実質的に重複してよく、受信信号包絡線６１０によって示されるように、ＰＭＵＴセンサアレイの表面上の指紋の隆線または指紋の谷の存在によって変化する音響エネルギーの集積が可能になる。ＰＭＵＴセンサアレイを用いてＲｘ信号を取り込んで隆線と谷との間の信号の振幅の差を決定することで、指紋の超音波画像に対する画像情報を取得することが可能になる。図６に示すように、ＰＭＵＴセンサアレイを用いて複数回、送信電極を作動させ、帰還信号を受信することによって、画像情報の複数のセットが取得され得る。

本開示の技法のさらなる利点は、２ポートＰＭＵＴと比較して、３ポートＰＭＵＴ送受信機は、送信電極および受信電極の下に置かれ、接地電位などの基準電圧に接続された単一の下部電極を有することができることである。下部電極を接地すること、またはさもなければ下部電極を低インピーダンス電圧源に接続することで、送受信機回路の送信部と受信部との間の電気的クロストークの低減、および／または隣接するＰＭＵＴセンサ要素間のクロストークの低減が可能になる。同じポートが送信と受信の両機能のために使用される２ポートＰＭＵＴ設計の場合、送信機の電子機器からの寄生容量が、受信された信号強度を十分の一以下に低下させることがある。本開示の３ポートＰＭＵＴは、本質的に、送信機を受信機から分離し、それによって信号を分離する必要性を低減し、関連する寄生容量による損失を最小化する。３ポートＰＭＵＴ構成は、送信機が、一般に高い寄生損失を有するより高い電圧回路に接続されながら、受信電極に対して低い寄生容量のピクセル読出し方式の使用を可能にするので、上記が可能になる。したがって、受信機効率は、３ポートＰＭＵＴ構成によって大幅に改善され得る。

その上、２ポートＰＭＵＴ内のポートは、直接、接地に接続されるのではなく、スイッチを介して接地に接続されるので、電気的クロストークが性能に影響を与えることがある。本開示の３ポートＰＭＵＴは、一部には、下部電極が十分に接地され得るのでこの問題を回避できる。その結果、送信または受信のいずれかの間に、いかなるクロストーク信号も、隣接するピクセルに影響を与えるのではなく、接地に吸収され得る。

再び図５を参照すると、図示の実装形態では、機械層４３０が、空洞４２０と圧電層４１５との間に配置されている。そのような配置は、「ボトムメック（ｂｏｔｔｏｍｍｅｃｈ）」配置と呼ばれることがある。

図７は、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴの別の配置を示す。図示の実装形態では、３ポートＰＭＵＴ７００は、圧電層４１５が空洞４２０と機械層７３０との間に配置される、「トップメック（ｔｏｐｍｅｃｈ）」配置で構成される。

本開示の技法は、上記で説明したように、実質的に円形のダイアフラムを用いて実装されてよい。いくつかの代替構成もまた意図される。図８は、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する長い矩形ダイアフラムの例示的な構成を示す。図示の実装形態（それは、長い矩形プレートまたは「リボン構成」と呼ばれることがある）では、ダイアフラム８００の長手寸法Ｌは、幅寸法Ｗより少なくとも２倍以上長い。「長い」矩形プレートまたはダイアフラムは、少なくとも幅の２倍の長さを有するダイアフラムとして定義されてよい。長い矩形ダイアフラムによって、電極の形状はまた、より長い側部を有する矩形になり、ダイアフラムのより短い側部に沿った電極の設置および形状に関する懸念が小さくなる。ダイアフラム８００は、たとえば、長手寸法Ｌの両端の近傍に示すように配置された別々のアンカー構造８７０によって支持されてよい。その結果、図Ｂ−Ｂおよび図Ｃ−Ｃに示すように、ダイアフラム８００のたわみ運動が、超音波または超音波信号の送信および受信中に発生し得る。送信電極８１３（Ｔｘ）および受信電極８１４（Ｒｘ）は、様々な配置においてダイアフラム８００上に配置されてよく、様々な配置のいくつかが、詳細Ａ、詳細Ｂおよび詳細Ｃにおける例として示されている。より詳細には、詳細Ａに見られるように、いくつかの実装形態では、送信電極８１３および受信電極８１４は、ほぼ等しい寸法であってよく、ダイアフラム８００に対して対称的に配置されてよい。詳細Ｂに見られるように、他の実装形態では、送信電極８１３および受信電極８１４は、実質的に異なる寸法であってよく、ダイアフラム８００に対して対称的に配置されてよい。最後に、詳細Ｃに見られるように、送信電極８１３および受信電極８１４の非対称的配置が企図されてもよい。詳細Ａ、ＢおよびＣに示す構成は、特にＴｘまたはＲｘとラベル付けられた電極を有するが、本開示を通して図８における一般性を失うことなく、Ｔｘと印された電極が受信電極としての役目を果たしてもよく、Ｒｘと印された電極が送信電極としての役目を果たしてもよい。図示のダイアフラムの幾何形状はまた、一般性を失うことなく、正方形であってよく、または２：１未満のＬ：Ｗの比を有してもよい。送信電極および受信電極への電気的接続（たとえば、電気配線）およびそれらの電極に対する電気接点は、明快のために添付の図面に示していない。

図９は、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する矩形ダイアフラムのさらなる例示的な構成を示す。図示の長い矩形プレート構成では、ダイアフラム９００は、たとえば図示のように、ダイアフラム９００の周辺エッジに近接して配置された周辺アンカー構造９７０によって４辺すべての上で支持されてよい。その結果、図Ｄ−Ｄおよび図Ｅ−Ｅに示すように、ダイアフラム９００のたわみ運動は、超音波または超音波信号の送信および受信中に発生し得る。送信電極９１３（Ｔｘ）および受信電極９１４（Ｒｘ）は、様々な配置においてダイアフラム９００上に配置されてよく、様々な配置のいくつかが、詳細Ｄ、詳細Ｅおよび詳細Ｆにおける例として示されている。より詳細には、詳細Ｄに見られるように、いくつかの実装形態では、送信電極９１３および受信電極９１４は、ほぼ等しい寸法であってよく、ダイアフラム９００に対して対称的に配置されてよい。詳細Ｅに見られるように、他の実装形態では、送信電極９１３および受信電極９１４は、実質的に異なる寸法であってよく、ダイアフラム９００に対して対称的に配置されてよい。最後に、詳細Ｆに見られるように、送信電極９１３および受信電極９１４の非対称的配置が企図されてもよい。

図１０は、いくつかの実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する矩形ダイアフラムの別のさらなる例示的な構成を示す。図示の実装形態（それは、「マッシュルーム構成」と呼ばれることがある）では、ダイアフラム１０００は、中央に配置されたアンカー構造１０７０によって支持されてよい。その結果、図Ｆ−Ｆおよび図Ｇ−Ｇに示すように、ダイアフラム１０００のたわみ運動は、超音波の送信および受信中に発生し得る。送信電極１０１３（Ｔｘ）および受信電極１０１４（Ｒｘ）は、様々な配置においてダイアフラム１０００上に配置されてよく、様々な配置のいくつかが、詳細Ｇ、詳細Ｈおよび詳細Ｊにおける例として示されている。より詳細には、詳細Ｇに見られるように、いくつかの実装形態では、送信電極１０１３および受信電極１０１４は、ほぼ等しい寸法であってよく、ダイアフラム１０００に対して対称的に配置されてよい。詳細Ｈに見られるように、他の実装形態では、送信電極１０１３および受信電極１０１４は、実質的に異なる寸法であってよく、ダイアフラム１０００に対して対称的に配置されてよい。最後に、詳細Ｊに見られるように、送信電極１０１３および受信電極１０１４の非対称的配置が企図されてもよい。

図１１は、様々な実装形態による、３ポートＰＭＵＴに対する円形ダイアフラムのさらなる例示的な構成を示す。詳細Ｋ、詳細Ｌおよび詳細Ｍに示すマッシュルーム構成の例の各々では、円形ダイアフラム１１００は、中心に配置されたアンカー構造１１７０によって支持されている。その結果、図Ｈ−Ｈに示すように、ダイアフラム１１００のたわみ運動は、超音波の送信および受信中に発生し得る。送信電極１１１３（Ｔｘ）および受信電極１１１４（Ｒｘ）は、様々な配置においてダイアフラム１１００上に配置されてよい。より詳細には、詳細Ｋおよび詳細Ｌに見られるように、いくつかの実装形態では、送信電極１１１３および受信電極１１１４は、ほぼ等しい寸法であってよい。詳細Ｍに見られるように、他の実装形態では、送信電極１１１３および受信電極１１１４は、実質的に異なる寸法であってよい。

図１２は、いくつかの実装形態による、ＰＭＵＴセンサを動作させるための方法の一例を示す。上記で説明したように、ＰＭＵＴセンサは空洞の上に配置されたダイアフラムを含んでよく、ダイアフラムは圧電層を含む圧電層スタック、第１の電極、第２の電極、および基準電極を含み、第１の電極、第２の電極、および基準電極の各々は送受信機回路と電気的に結合される。図示の実装形態では、方法１２００は、送受信機回路からの信号に応答して第１の時間期間の間に、第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信するためのステップ１２１０を含む。

方法は進んで、ステップ１２２０において、第２の時間期間の間に、第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信する。有利なことに、第１の時間期間および第２の時間期間は、少なくとも部分的に重複する。いくつかの実装形態では、ＰＭＵＴは、第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成されてよい。

図１３Ａ〜図１３Ｄは、いくつかの実装形態による、円形ダイアフラムおよび様々な電極構成を有する３ポートＰＭＵＴの平面図を示す。図１３Ａの３ポートＰＭＵＴ１３００ａは、ＰＭＵＴダイアフラムの内部領域に置かれた送信電極１３１３（Ｔｘ）および受信電極１３１４（Ｒｘ）を有する。送信電極１３１３および受信電極１３１４は、ともに屈曲域内部に位置し、それゆえ、両電極は、ダイアフラムが超音波を放射するかまたは超音波を受信するかのいずれかのために振動するとき、同じ符号の曲げ応力（引張または圧縮）を経験する。下部基準電極１３１２が、送受信機回路への接続のための接続電気配線および接点を有する上部送信電極１３１３および受信電極１３１４とともに示されている。ＰＭＵＴダイアフラムが、空洞１３２０の上に延びている。３ポートＰＭＵＴ１３００ａが、ＰＭＵＴダイアフラムの内部領域（屈曲域内部）において対称的な送信電極および受信電極を示す一方で、図１３Ｂの３ポートＰＭＵＴ１３００ｂは、屈曲域内部に、より大きい送信電極およびより小さい受信電極を有する非対称的な送信電極および受信電極を示す。より小さい受信電極は、受信側において十分な受信信号レベルを依然として保持しながら、より大きい送信電極に対するより大きい面積（たとえば、同じ寸法のダイアフラムおよび同じ作動電圧に対して、より大きい音響送信出力）を可能にするために有用であり得る。

図１３Ｃの３ポートＰＭＵＴ１３００ｃは、ＰＭＵＴダイアフラムの外部領域内に置かれた、対称的な送信電極１３１３（Ｔｘ）および受信電極１３１４（Ｒｘ）を有し、送信電極と受信電極の両方は、屈曲域の外側に置かれ、それゆえ、ダイアフラムが振動するときに同じ符号の曲げ応力（圧縮および引張）を経験する。ＰＭＵＴダイアフラムの外側部分内の非対称的な送信電極および受信電極の配置が企図されてきた。図１３Ｄの３ポートＰＭＵＴ１３００ｄは、ダイアフラムの外部領域内の非対称的配置の送信電極１３１３ｂ（Ｔｘ−）および受信電極１３１４（Ｒｘ−）と、ダイアフラムの内部領域内に置かれた追加の送信電極１３１３ａ（Ｔｘ＋）とを示す。ＰＭＵＴダイアフラムの内部領域内に１つの送信電極と外部領域内に１つの送信電極とを有するデュアル送信電極は、以下でより詳細に説明するように、差動的に駆動されるときにより大きい音響出力の生成を可能にする。一般に、送信電極および受信電極の対称的または非対称的配置は、屈曲域の内側または外側にある送信電極および／または受信電極に適用されてよい。

図１４Ａ〜図１４Ｄは、いくつかの実装形態による、様々な電極構成とダイアフラムを通して配置された中央放出穴１４２８とを有する円形ダイアフラムを有する３ポートＰＭＵＴの平面図を示す。中央放出穴１４２８は、空洞１４２０を形成して空洞領域の上でＰＭＵＴダイアフラムを懸架するために犠牲材料（図示せず）の除去を可能にするように、ＰＭＵＴダイアフラムを通して形成されてよい。３ポートＰＭＵＴ１４００ａは、基準電極１４１２とともに対称的な送信電極１４１３（Ｔｘ＋）および受信電極１４１４（Ｒｘ＋）を有し、送信電極と受信電極の両方は、屈曲域内部のダイアフラムの内側部分内に置かれる。３ポートＰＭＵＴ１４００ｂは、屈曲域の同一面上に位置する非対称的送信電極１４１３（Ｔｘ＋）および受信電極１４１４（Ｒｘ＋）を有する。３ポートＰＭＵＴ１４００ｃは、ＰＭＵＴダイアフラムの外部領域内で屈曲域の外部に置かれた対称的送信電極１４１３（Ｔｘ−）および受信電極１４１４（Ｒｘ−）を示す。３ポートＰＭＵＴ１４００ｄは、プッシュプル送信電極１４１３ａ（Ｔｘ＋）および１４１３ｂ（Ｔｘ−）ならびに単一の受信電極１４１４（Ｒｘ−）を有する配置を示す。送信電極１４１３ａが屈曲域の内部にある一方で、送信電極１４１３ｂおよび受信電極１４１４は屈曲域の外部にある。対称的または非対称的配置の送信電極および受信電極を有する３ポートＰＭＵＴは、屈曲域の内部または外部にあり、中央放出穴を有するかまたは有さず、円形、正方形、矩形もしくは長い矩形のダイアフラムを有する、１つまたは複数の送信電極および／または受信電極に適用されてよい。

図１５は、いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有するＰＭＵＴセンサを動作させるための方法１５００のブロック図を示す。ブロック１５１０に示すように、差分プッシュプル送信電圧信号は、屈曲域の反対側に置かれたＰＭＵＴ送信電極に適用されてよい。ブロック１５２０に示すように、ＰＭＵＴダイアフラムの振動は、１つまたは複数の超音波を放出することができる。ブロック１５３０に示すように、遠くまたは近くの物体から反射した超音波は、１つまたは複数の専用ＰＭＵＴ受信電極によって検出され得る。ブロック１５４０に示すように、受信信号は、たとえば、超音波画像を生成するため、ジェスチャを検出するため、スタイラスチップの位置を決定するため、または超音波指紋センサなど、生体センサとして使用されるときにユーザを認証するために処理されてよい。

図１６は、いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有する３ポートＰＭＵＴの送受信機回路１６１０および様々な構成の概略図を示す。送受信機回路１６１０は、超音波を生成するためおよび超音波信号を受信するための制御ユニット１６２０を含んでよい。制御ユニット１６２０からの信号は、適用できる場合、３ポートＰＭＵＴの正の送信電極（Ｔｘ＋）および負の送信電極（Ｔｘ−）に適用され得るプッシュプル送信信号を供給するために、送信機駆動回路１６２２を用いて増幅、バッファ、またはさもなければ、調整されてよい。ＰＭＵＴの基準電極は、制御ユニット１６２０から基準レベル信号を受信し得る基準レベル駆動回路１６２８を介して基準電圧レベル（接地など）に接続されてよい。ＰＭＵＴ上の１つまたは複数の受信電極からの受信信号は、受信機回路１６３２を用いて増幅、バッファ、またはさもなければ調整されてよく、信号処理ユニット１６３０によって処理される前にアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６３４を介してデジタル信号に変換されてよい。処理された信号は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサを用いることなどで、さらに処理するために１つまたは複数のデジタル出力線１６４０に供給されてよい。詳細Ｐは、送受信機回路１６１０に接続され得る基準電極（Ｒｅｆ）とともに、中央送信電極（Ｔｘ＋）および外部受信電極（Ｒｘ−）を有する３ポートＰＭＵＴの断面図を示す。詳細Ｑは、プッシュプル送信電極（Ｔｘ＋およびＴｘ−）と単一の専用受信電極（Ｒｘ−）とを有する３ポートＰＭＵＴを示す。詳細Ｒは、単一の送信電極（Ｔｘ＋）と差分受信電極（Ｒｘ＋およびＲｘ−）のペアとを有する３ポートＰＭＵＴの断面図を示す。差分受信電極は、取得可能な出力信号のレベルを高め、両受信電極に共通の温度変動またはノイズ信号など、何らかのコモンモード効果を相殺するために、屈曲域の両側に置かれてよい。詳細Ｓは、送信電極の差分ペア（Ｔｘ＋およびＴｘ−）と受信電極の差分ペア（Ｒｘ＋およびＲｘ−）とを有する３ポートＰＭＵＴの断面図を示す。

図１７は、いくつかの実装形態による、少なくとも１つの専用受信電極を有する３ポートＰＭＵＴに対するプッシュプル送信信号１７２０、１７２２および例示的な受信信号１７３０のプロットを、時間の関数として示す。送信モードで動作するとき、差分送信信号１７２０および１７２２のペアは、好適に構成された３ポートＰＭＵＴ上の送信電極の差分ペアに適用されてよい。反射信号は、超音波の放射直後に発生し、受信信号包絡線１７３２内の例示的な受信信号１７３０は、受信モードの間に検出され、処理され得る。いくつかの実装形態では、ピーク検出器（図示せず）は、超音波が放射された後、所定の取得時間遅れ（たとえば、レンジゲート遅延またはＲＧＤ）において超音波信号を取得するために使用されてよい。ピーク検出器は、比較的狭い取得時間窓（たとえば、レンジゲート窓またはＲＧＷ）を使用することによって比較的短い期間の時間（超音波の一周期未満）にわたって信号を取得することができる。このプロセスは、必要に応じて各ＰＭＵＴに対して繰り返されてよい。たとえば、指紋画像は、送信モードで動作するＰＭＵＴのアレイから１つまたは複数の平面波を放射することによって取得されてよく、次いで、画像の各フレームに対して受信モードで動作するＰＭＵＴのアレイを用いて反射された超音波信号が取り込まれる。

図１８は、いくつかの実装形態による、１つまたは複数の切替可能な受信電極を有するＰＭＵＴセンサを動作させるための方法１８００のブロック図を示す。ブロック１８１０に示すように、差分プッシュプル送信電圧信号は、ＰＭＵＴ送信電極に印加されてよい。ブロック１８２０に示すように、ＰＭＵＴダイアフラムの振動は、１つまたは複数の超音波を放出することができる。ブロック１８３０に示すように、１つまたは複数の送信電極／受信電極は、少なくとも１つの送信電極によって超音波の放射を継続しながら、送信モードから受信モードに切り替えられ得る。ブロック１８４０に示すように、物体から反射した超音波は、切り替えられたＰＭＵＴ送信電極／受信電極によって検出され得る。受信信号は、ブロック１８５０に示すように処理されてよい。

図１９は、いくつかの実装形態による、少なくとも１つの切替可能な送信電極／受信電極を有する３ポートＰＭＵＴの送受信機回路１９１０および様々な構成の概略図を示す。送受信機回路１９１０は、超音波を生成するためおよび超音波信号を受信するための制御ユニット１９２０を含んでよい。制御ユニット１９２０からの信号は、適用できる場合、３ポートＰＭＵＴの正の送信電極（Ｔｘ＋）および負の送信電極（Ｔｘ−）に適用され得るプッシュプル送信信号を供給するために、送信機駆動回路１９２２によって増幅、バッファ、またはさもなければ調整されてよい。代替として、制御ユニット１９２０からの信号は、送信モードの間にプッシュプル送信信号を１つまたは複数の送信電極／受信電極に供給するため、および受信モードに切り替えられたときに１つまたは複数の送信電極／受信電極が受信電極としての役目を果たすことを可能にするために、トライステートバッファ１９２６または他の適切なスイッチング回路を有する送信機駆動回路１９２４を用いて増幅、バッファ、またはさもなければ調整されてよい。ＰＭＵＴの基準電極は、基準レベル駆動回路１９２８を介して基準電圧レベル（接地など）に接続されてよい。受信信号は、受信機回路１９３２を用いて増幅、バッファ、またはさもなければ調整されてよく、信号処理ユニット１９３０によって処理される前にアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）１９３４を介してデジタル信号に変換されてよい。処理された信号は、モバイルデバイスのアプリケーションプロセッサを用いることなどで、さらに処理するために１つまたは複数のデジタル出力線１９４０に供給されてよい。詳細Ｔは、送受信機回路１９１０に接続され得る基準電極（Ｒｅｆ）とともに、中央送信電極（Ｔｘ＋）および切替可能な外部送信電極／受信電極（Ｔｘ−／Ｒｘ−）を有する３ポートＰＭＵＴの断面図を示す。内部電極、外部電極のいずれかまたは両方が、送信モードから受信モードに切り替えられてよいことに留意されたい。詳細Ｕは、送信電極の差分ペア（Ｔｘ＋およびＴｘ−）および受信電極の差分ペア（Ｒｘ＋およびＲｘ−）を有する３ポートＰＭＵＴの断面図を示し、送信電極または受信電極のうちの１つまたは複数は送信モードと受信モードとの間で切替可能である。

図２０は、いくつかの実装形態による、少なくとも１つの切替可能な送信電極／受信電極を有する３ポートＰＭＵＴに対するプッシュプル送信信号２０２０、２０２２および例示的な受信信号２０３０のプロットを、時間の関数として示す。送信モードで動作するとき、差分送信信号２０２０および２０２２のペアは、好適に構成された３ポートＰＭＵＴ上の送信電極の差分ペアに適用されてよい。反射信号は、超音波の放射直後に発生し、受信信号包絡線２０３２内の例示的な受信信号２０３０は、受信モードの間に検出され、処理され得る。このプロセスは、必要に応じてＰＭＵＴ、ＰＭＵＴアレイまたはＰＭＵＴアレイの一部の各々に対して繰り返されてよい。３ポートＰＭＵＴは、屈曲域の内部または外部にあり、中央放出穴を有するかまたは有さず、円形、正方形、矩形もしくは長い矩形のダイアフラムを有する、対称的または非対称的配置の送信電極および受信電極を有する１つまたは複数の専用のまたは切り替えの送信電極／受信電極を用いて、多様なアンカー構造を使用して構成されてよい。

したがって、接地（基準）電極を有し、第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成された３ポートＰＭＵＴを開示してきた。いくつかの代替の構成および製作技法が企図されてよいことが理解されよう。たとえば、図４Ｂ、図８、図９、図１０、図１１Ａ〜図１１Ｃ、図１３Ａ〜図１３Ｄ、図１４Ａ〜図１４Ｄ、および本開示の他の場所を参照しながら説明した電極配置は、圧電層スタックの下に機械層を有するＰＭＵＴ構成とともに、すなわち、圧電層スタックと空洞との間の機械層（たとえば、図４Ａ）とともに、または圧電層スタックの上に機械層を有するＰＭＵＴ構成とともに、すなわち、機械層と空洞との間の圧電層スタック（たとえば、図７）とともに、使用されてよい。いくつかの実装形態では、圧電層スタックは、アンカー構造の上に形成されてよい。圧電層スタックは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、または他の適切な圧電材料などの圧電層を含み得、１つまたは複数の電極層が圧電層に電気的に結合される。圧電層スタックは、ビア、放出穴および他の特徴部を形成するためにパターン化され、エッチングされてよい。機械層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、他の誘電体材料、または誘電体材料もしくは誘電層の組合せを含んでよい。いくつかの実装形態では、単一のＡｌＮまたはＰＺＴの層が、送信電極と受信電極の両方に結合するための圧電層として使用されてよい。いくつかの実装形態では、同じダイアフラム内で、ＡｌＮ層が送信電極とともに使用され、ＰＺＴ層が受信電極とともに使用されてよい。いくつかの実装形態では、同じダイアフラム内で、ＰＺＴ層が送信電極とともに使用され、ＡｌＮ層が受信電極とともに使用されてよい。いくつかの実装形態では、ＰＺＴの圧電層およびＡｌＮの圧電層は実質的に同一平面上にあってよく、すなわち、多層ＰＭＵＴダイアフラムの同一の表面の上またはその下に形成されてよい。いくつかの実装形態では、同じかまたは異なる圧電材料である圧電層の２層スタックが、上記で説明した３ポートＰＭＵＴを形成するために使用されてよい。たとえば、ＰＺＴの第１の層が１つまたは複数の送信電極とともに使用されてよく、ＡｌＮの第２の層が１つまたは複数の受信電極とともに使用されてよい。送信および受信の圧電層は、積層構成においてどちらの上であってもよく、他の実装形態では、送信および受信の圧電層は、同じダイアフラムの上または中で互いに並んでいてもよい。基準電極は、１つまたは複数の関連する送信電極または受信電極に共通であってもよい。１つまたは複数の機械層および／または電極層は、様々な圧電層の上、下、または間に置かれてもよい。

本明細書で使用するとき、項目のリスト「のうちの少なくとも１つ」を指す句は、単一のメンバーを含む、それらの項目の任意の組合せを指す。一例として、「ａ、ｂ、またはｃのうちの少なくとも１つ」は、ａ、ｂ、ｃ、ａ−ｂ、ａ−ｃ、ｂ−ｃ、およびａ−ｂ−ｃを包含するものである。

本明細書で開示された実装形態に関連して説明した様々な例示的なロジック、論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムプロセスは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアの互換性は、概して機能の観点から記載され、上述された様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびプロセスにおいて例示されている。そのような機能がハードウェアまたはソフトウェアのどちらで実装されるのかは、システム全体に課される特定の用途および設計制約に依存する。

本明細書で開示された態様に関連して説明した様々な例示的なロジック、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するために使用されるハードウェアおよびデータ処理装置は、汎用シングルチッププロセッサもしくは汎用マルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、または、本明細書に記載の機能を実行するように構成されたそれらの任意の組合せで実装または実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサもしくは任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。いくつかの実装形態では、特定のプロセスおよび方法は、所与の機能に特有の回路によって実行することができる。

１つまたは複数の態様では、説明した機能は、本明細書で開示された構造またはそれらの構造的等価物を含む、ハードウェア、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せにおいて実装され得る。本明細書で説明した主題の実装形態はまた、データ処理装置の動作によって実行するため、またはデータ処理装置の動作を制御するためにコンピュータ記憶媒体上に符号化された、１つまたは複数のコンピュータプログラムとして、すなわち、コンピュータプログラム命令の１つまたは複数のモジュールとして実装され得る。

ソフトウェアにおいて実装される場合、機能は、非一時的媒体などのコンピュータ可読媒体上で１つまたは複数の命令またはコードとして記憶または伝送され得る。本明細書において開示された方法またはアルゴリズムのプロセスは、コンピュータ可読媒体上に存在することができるプロセッサ実行可能ソフトウェアモジュールにおいて実装することができる。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所にコンピュータプログラムを転送できるようにする任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされる場合がある任意の使用可能な媒体であってもよい。限定ではなく例として、そのような非一時的可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または、命令もしくはデータ構造の形式で所望のプログラムコードを記憶するために使用される場合があるとともに、コンピュータによってアクセスされる場合がある任意の他の媒体を含んでもよい。また、任意の接続はコンピュータ可読媒体と適切に呼ぶことができる。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書で使用するとき、コンパクトディスク（ｄｉｓｃ）（ＣＤ）、レーザーディスク（ｄｉｓｃ）、光ディスク（ｄｉｓｃ）、デジタル多用途ディスク（ｄｉｓｃ）（ＤＶＤ）、フロッピーディスク（ｄｉｓｋ）、およびｂｌｕ−ｒａｙディスク（ｄｉｓｃ）を含み、ディスク（ｄｉｓｋ）は通常、データを磁気的に再生し、ディスク（ｄｉｓｃ）は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記の組合せは、コンピュータ可読媒体の範囲内に同じく含まれるものとする。さらに、方法またはアルゴリズムの動作は、コードおよび命令のうちの１つまたは任意の組合せまたはセットとして、コンピュータプログラム製品に組み込まれ得る機械可読媒体およびコンピュータ可読媒体上に存在し得る。

本開示で説明する実装形態に対する様々な変更形態が、当業者には容易に明らかになる場合があり、本明細書で規定された一般原理は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実装形態に適用できる。したがって、特許請求の範囲は、本明細書で示されている実装形態に限定されることを意図するものではなく、本開示、本明細書で開示する原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。加えて、当業者が容易に理解するように、「より上」および「より下」、「上部」および「底部」、「前」および「後」、ならびに、「覆う」、「重なる」、「上」、「下方」、および「下にある」という用語は、時には図面の説明を容易にするために使用され、適切に向けられたページ上の図面の向きに対応する相対的な位置を示し、実装されたデバイスの適切な向きを反映しないことがある。

本明細書において別々の実装形態との関連で説明するいくつかの特徴はまた、単一の実装形態において組み合わせて実装され得る。逆に、単一の実装形態の文脈で説明される様々な特徴も、複数の実装形態において別々に、または任意の適切な副組合せにおいて実装され得る。さらに、特徴は、上記では特定の組合せで作用するものとして説明されており、さらには最初にそのようなものとして特許請求される場合があるが、特許請求される組合せからの１つまたは複数の特徴は、場合によっては、組合せから削除することができ、特許請求される組合せは、副組合せまたは副組合せの変形形態を対象とする場合がある。

同様に、動作は、特定の順序で図面に示されているが、これは、そのような動作が、示された特定の順序で、もしくは順番に実行されること、またはすべての図示の動作が所望の結果を達成するために実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、図面は、フロー図の形態で１つまたは複数の例示的なプロセスを概略的に示すことがある。しかしながら、概略的に示されている例示的なプロセスには、図示されていない他の動作を組み込むことができる。たとえば、図示した動作のうちの任意の動作の前、後、任意の動作と同時に、またはこれらの動作の間に、１つまたは複数の追加の動作を実行することができる。特定の状況では、マルチタスキングおよび並列処理が有利である場合がある。さらに、上記の実装形態における様々なシステム構成要素の分割は、すべての実装形態においてそのように分割する必要があるものと理解すべきではなく、説明されるプログラム構成要素およびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品内にともに統合することができるか、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化することができることを理解されたい。さらに、他の実装形態も以下の特許請求の範囲内にある。場合によっては、特許請求の範囲に記載されているアクションは、異なる順序で実行され得るが、その場合でも望ましい結果を達成することができる。

１００圧電超音波トランスデューサ
１１０圧電層スタック
１１２下部電極
１１４上部電極
１１５圧電層
１２０空洞
１２２超音波圧力波
１２４伝搬媒体
１３０機械層
１６０半導体基板
１７０アンカー構造
２００ａ超音波センサアレイ
２００ｂ超音波センサおよびディスプレイのアレイ
２００ｃ超音波センサおよびディスプレイのアレイ
２０２物体
２６０圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）センサアレイ基板
２６０ａセンサアレイ基板
２６０ｂディスプレイアレイ基板
２６２ＰＭＵＴセンサ要素
２６４超音波
２６５音響結合媒体
２６５ａ音響結合媒体
２６５ｂ音響結合媒体
２６６ディスプレイピクセル
２９０ａプラテン
２９０ｂプラテン
２９０ｃカバーレンズまたはカバーガラス
４００ＰＭＵＴ
４１０圧電層スタック
４１２下部電極
４１３内部電極
４１４外部電極
４１５圧電層
４１６破線
４２０空洞
４２２エッチチャネル
４２４放出穴
４２６プラグ
４３０機械層
４４０ダイアフラム
４７０アンカー構造
５１０送受信機回路
７００ＰＭＵＴ
７３０機械層
８００ダイアフラム
８１３送信電極
８１４受信電極
８７０アンカー構造
９００ダイアフラム
９１３送信電極
９１４受信電極
９７０アンカー構造
１０００ダイアフラム
１０１０送受信機回路
１０１３送信電極
１０１４受信電極
１０７０アンカー構造
１１００円形ダイアフラム
１１１３送信電極
１１１４受信電極
１１７０アンカー構造
１３００ａ３ポートＰＭＵＴ
１３００ｂ３ポートＰＭＵＴ
１３００ｃ３ポートＰＭＵＴ
１３００ｄ３ポートＰＭＵＴ
１３１２下部基準電極
１３１３上部送信電極
１３１４受信電極
１３２０空洞
１４００ａ３ポートＰＭＵＴ
１４００ｂ３ポートＰＭＵＴ
１４００ｃ３ポートＰＭＵＴ
１４００ｄ３ポートＰＭＵＴ
１４１２基準電極
１４１３送信電極
１４１３ａプッシュプル送信電極
１４１３ｂプッシュプル送信電極
１４１４受信電極
１４２０空洞
１４２８中央放出穴
１６１０送受信機回路
１６２０制御ユニット
１６２２送信機駆動回路
１６２８基準レベル駆動回路
１６３０信号処理ユニット
１６３２受信機回路
１６３４アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器
１６４０デジタル出力線
１７２０プッシュプル送信信号
１７２２プッシュプル送信信号
１７３０受信信号
１７３２受信信号包絡線
１９１０送受信機回路
１９２０制御ユニット
１９２２送信機駆動回路
１９２４送信機駆動回路
１９２６トライステートバッファ
１９２８基準レベル駆動回路
１９３０信号処理ユニット
１９３２受信機回路
１９３４アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）
１９４０デジタル出力線
２０２０プッシュプル送信信号
２０２２プッシュプル送信信号
２０３０受信信号
２０３２受信信号包絡線

Claims

第１の時間期間中に送受信機回路からの信号に応答して第１の超音波信号を圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）の第１の電極を経由して送信するステップであって、前記ＰＭＵＴが、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、前記ダイアフラムが、圧電層を含む圧電層スタック、前記第１の電極、および第２の電極を含み、前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記送受信機回路と電気的に結合される、送信するステップと、
第２の時間期間中に第２の超音波信号を前記第２の電極を経由して受信するステップとを含み、
前記第１の時間期間および前記第２の時間期間が、少なくとも部分的に重複している、方法。
前記ＰＭＵＴが、前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成される、請求項１に記載の方法。
前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、前記第１の表面が前記空洞の反対側にあり、
前記第１の電極が前記ダイアフラムの内側部分に配置され、前記第２の電極が前記ダイアフラムの外側部分に配置され、前記外側部分が前記空洞の壁に近接して、前記壁と前記第１の電極との間にある、請求項１に記載の方法。
前記第２の電極の一部が、前記空洞の前記壁を越えて延びる、請求項３に記載の方法。
前記ダイアフラムが、前記圧電層と前記空洞との間に配置された第３の電極を含む、請求項３に記載の方法。
前記第３の電極が、前記第１の電極および前記第２の電極の各々に共通する基準電極として構成される、請求項５に記載の方法。
前記基準電極の電圧が、接地または他の基準電圧に固定される、請求項６に記載の方法。
前記ダイアフラムが、アンカー構造によって支持され、前記空洞の上に延び、前記ダイアフラムが、たわみ運動および振動の一方または両方を受け、前記ＰＭＵＴが超音波信号を受信または送信するときに第１のたわみモードで動作するように構成される、請求項１に記載の方法。
前記第１のたわみモードにおいて、前記第１および前記第２の電極の各々が、それぞれ、引張応力および圧縮応力の交互の期間を含む第１および第２の振動負荷サイクルを経験する、請求項８に記載の方法。
前記第１の振動負荷サイクルと前記第２の振動負荷サイクルは、ほぼ同相である、請求項９に記載の方法。
前記第１の振動負荷サイクルと前記第２の振動負荷サイクルは位相がずれている、請求項９に記載の方法。
前記第１の振動負荷サイクルと前記第２の振動負荷サイクルは１８０°位相がずれている、請求項１１に記載の方法。
前記第２の電極が、前記第１の時間期間中に送信モードであり、前記第２の時間期間中に受信モードであるように構成される、請求項１に記載の方法。
圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）を備える装置であって、前記ＰＭＵＴが、
空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、前記ダイアフラムが、圧電層を含む圧電層スタックと、送受信機回路と電気的に結合された第１の電極と、前記送受信機回路と電気的に結合された第２の電極とを含み、
前記第１の電極が前記ダイアフラムの第１の部分内に配置され、前記第２の電極が前記ダイアフラムの第２の部分内に配置され、前記第１の部分が前記第１の部分から分離されており、
前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、前記第１の表面が前記空洞の反対側にあり、
前記ＰＭＵＴが、第１の時間期間中に前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信し、第２の時間期間中に前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信するように構成され、前記第１の時間期間および前記第２の時間期間が少なくとも部分的に重複している、装置。
前記第２の電極が、前記空洞の壁に近接して、前記壁と前記第１の電極との間に配置される、請求項１４に記載の装置。
前記第２の電極の一部が、前記空洞の前記壁を越えて延びる、請求項１５に記載の装置。
前記ＰＭＵＴが、前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成される、請求項１４に記載の装置。
前記ダイアフラムが、前記圧電層と前記空洞との間に配置された第３の電極を含む、請求項１４に記載の装置。
前記第１の電極が送信電極であり、前記第２の電極が受信電極であり、前記第３の電極が前記送信電極および前記受信電極の各々に共通する基準電極として構成される、請求項１８に記載の装置。
前記ダイアフラムが機械層を含み、機械層が、前記圧電層スタックと前記空洞との間に置かれるか、または前記圧電層スタックの、前記空洞の反対の側面上に置かれる、請求項１４に記載の装置。
基板の上に配置されたアンカー構造をさらに備え、前記ダイアフラムが、前記アンカー構造によって支持されて前記空洞の上に延び、前記ダイアフラムが、前記ＰＭＵＴが超音波信号を受信または送信するときにたわみ運動および振動の一方または両方を受けるように構成される、請求項１４に記載の装置。
前記ダイアフラムが、長さＬの縦寸法とＷの幅とを有する細長い矩形として構成され、ＬがＷの少なくとも２倍である、請求項２１に記載の装置。
前記アンカー構造が、前記縦寸法の近位端に近接する第１の離散位置においておよび前記縦寸法の遠位端に近接する前記ダイアフラムの第２の離散位置において前記ダイアフラムを支持する、請求項２２に記載の装置。
前記アンカー構造が、前記ダイアフラムの中心部において前記ダイアフラムを支持する、請求項２２に記載の装置。
前記アンカー構造が、前記ダイアフラムの周辺領域において前記ダイアフラムを支持する、請求項２２に記載の装置。
前記ダイアフラムが実質的に円形である、請求項２１に記載の装置。
前記アンカー構造が、前記ダイアフラムの中心部において前記ダイアフラムを支持する、請求項２６に記載の装置。
前記空洞が、少なくとも１つの放出穴を通して犠牲材料を除去することによって形成される、請求項１４に記載の装置。
前記放出穴が、前記ダイアフラムを通して配置される、請求項２８に記載の装置。
前記第１の電極および前記第２の電極が実質的に同一平面上にある、請求項１４に記載の装置。
圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）センサのアレイと、
音響結合媒体とを備える装置であって、
少なくとも１つのＰＭＵＴが、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、前記ダイアフラムが、圧電層を含む圧電層スタックと、送受信機回路と電気的に結合された第１の電極と、前記送受信機回路と電気的に結合された第２の電極とを含み、
前記第１の電極が前記ダイアフラムの第１の部分内に配置され、前記第２の電極が前記ダイアフラムの第２の部分内に配置され、前記第１の部分が前記第２の部分から分離されており、
前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、前記第１の表面が前記空洞の反対側にあり、
前記ＰＭＵＴが、第１の時間期間中に前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信し、第２の時間期間中に前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信するように構成され、前記第１の時間期間および前記第２の時間期間が少なくとも部分的に重複しており、
前記音響結合媒体が、前記圧電層スタックの上に配置され、
前記ＰＭＵＴが、前記音響結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成される、装置。
ＰＭＵＴセンサの前記アレイがプラテンを含み、前記音響結合媒体が前記ＰＭＵＴセンサと前記プラテンとの間に配置される、請求項３１に記載の装置。
前記ＰＭＵＴが、前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成される、請求項３１に記載の装置。
前記ダイアフラムが、前記圧電層と前記空洞との間に配置された第３の電極を含む、請求項３１に記載の装置。
前記第１の電極が送信電極であり、前記第２の電極が受信電極であり、前記第３の電極が前記送信電極および前記受信電極の各々に共通する基準電極として構成される、請求項３４に記載の装置。
ＰＭＵＴセンサの前記アレイが、超音波指紋センサアレイとして構成される、請求項３１に記載の装置。
ソフトウェアを記憶する非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記ソフトウェアが、
第１の時間期間中に送受信機回路からの信号に応答して第１の超音波信号を圧電微小機械超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）の第１の電極を経由して送信することであって、前記ＰＭＵＴが、空洞の上に配置されたダイアフラムを含み、前記ダイアフラムが、圧電層を含む圧電層スタック、前記第１の電極、および第２の電極を含み、前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記送受信機回路と電気的に結合される、送信することと、
第２の時間期間中に第２の超音波信号を前記第２の電極を経由して受信することとを装置に行わせるための命令を含み、前記第１の時間期間および前記第２の時間期間が少なくとも部分的に重複する、コンピュータ可読媒体。
前記ＰＭＵＴが、前記第１の電極を経由して第１の超音波信号を送信することと、前記第２の電極を経由して第２の超音波信号を受信することとを同時に行うように構成される、請求項３７に記載のコンピュータ可読媒体。
前記第１の電極および前記第２の電極の各々が、前記圧電層の第１の表面の上または近傍に配置され、前記第１の表面が前記空洞の反対側にあり、
前記第１の電極が前記ダイアフラムの内側部分に配置され、前記第２の電極が前記ダイアフラムの外側部分に配置され、前記外側部分が前記空洞の壁に近接して、前記壁と前記第１の電極との間にある、請求項３７に記載のコンピュータ可読媒体。
前記第２の電極が、前記第１の時間期間中に送信モードであり、前記第２の時間期間中に受信モードであるように構成される、請求項３７に記載のコンピュータ可読媒体。