JP2018525954A - 拡張範囲ウルトラサウンドトランスデューサ - Google Patents

Abstract

説明される実施例において、超音波トランスデューサ（１０）が、電気接続性コンタクト（１４ＢＧＡ、１６ＢＧＡ）を有するインタポーザ（１２）を有する。超音波トランスデューサは、受信要素（ＭＥＭ）のアレイを含み、インタポーザに対して物理的に固定され、インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される、超音波レシーバ（１４）も有する。超音波トランスデューサは、超音波レシーバから離間され、インタポーザに対して物理的に固定され、インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される、少なくとも一つの超音波トランスミッタ（１８）も有する。【選択図】図５

Description

本願は、概して、ウルトラサウンドトランスデューサに関し、より詳細には、別個の超音波トランスデューサレシーバアレイを備える、組合されたディスクリートトランスミッタ回路要素に関する。

ウルトラサウンドトランスデューサは、ウルトラサウンド波を送信するため、および、送信された波の反射またはエコーを検出するために存在する。そのようなデバイスは、ウルトラサウンド（ultrasound）または超音波（ultrasonic）トランスデューサまたはトランシーバと呼ばれることもある。ウルトラサウンドトランスデューサには、消費者デバイス、車両安全性、および、医療診断を含め、無数の用途がある。これらおよびその他の分野において、トランスデューサによって検出される信号が、距離を判定するために処理され得、この距離は、画像処理を含め二次元および三次元処理に関連する形状およびアスペクトを判定するために、さらに方向性またはエリア処理と組合され得る。

超音波音の送信と、その超音波音のエコーの検出との両方を実施するため、微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイが、ウルトラサウンドトランスデューサとして従来の実装において一般的に用いられている。そのようなアレイは、典型的に、半導体処理を用いて形成され、それによって、微細加工機械要素のアレイが、半導体基板に対して作られる。各アレイ要素は、同じ構成を有するが、信号を送信するため別個に励起可能であり、その信号エコーを検出するため別個に読み取り可能である。種々の従来の技法が、多数のタイプの要素を形成するために存在しており、一般的な要素の二つの例は圧電性または静電性であり、前者はいわゆる圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）に用いられ、後者はいわゆる静電性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）に用いられる。概して、ｐＭＵＴアレイ要素は、場合によって薄いフィルム膜と組合される圧電性材料の既知の性質に応答して機能し、ｐＭＵＴアレイ要素は集合的に、印加される機械的歪みから電気を生成し、可逆的プロセスにおいて、印加される電気から機械的歪みを生成する。また、概して、ｃＭＵＴアレイ要素は、静電性構造の既知の性質に応答して、および、関連する膜と共に機能し、それゆえ、この要素は、膜の振動によって引き起こされる静電容量の変化から交流電気信号を生成し、可逆的プロセスにおいて、コンデンサ両端の印加される交流信号から膜の振動を生成する。

上記のおよび関連するアプローチは種々のニーズに応えてきているが、それらには種々の欠点もある。例えば、音響パワーが、圧力、エリア、および、速度の積の関数であり、そのため、耐え得る圧力の限界、トランスデューサ表面の一部上の比較的小さな面積的範囲が原因で、および、膜にわたる不均一性に由来する減少された速度にも起因して、ＭＵＴにおいて用いられる膜は、送信パワーを制限し得る。別の例として、ＭＵＴアレイにおける要素の数は、一層良好な分解能またはその他の性能を達成するため増加されることがあり、ワイヤボンディングまたはフレックスケーブルが、各要素への相互接続性のために実装されることがあり、それゆえ、数多くの要素（例えば、５０×５０またはそれ以上）が、全ての要素と電気的に通信するため、ワイヤ束またはケーブルについてかなりの複雑性およびコストが生じる。

説明される例において、超音波トランスデューサが、電気接続性コンタクトを有するインタポーザを有する。超音波トランスデューサはさらに、超音波レシーバを有し、超音波レシーバは、受信要素のアレイを含み、インタポーザに対して物理的に固定され、インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される。超音波トランスデューサはさらに、少なくとも一つの超音波トランスミッタを有し、超音波トランスミッタは、超音波レシーバから離間され、インタポーザに対して物理的に固定され、インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される。

好ましい実施形態に従ったウルトラサウンドトランスデューサの第１の側の電気的ブロック図を図示する。

図１における種々のアレイ要素のうちの任意のものを表し得る要素ＥＬの一例を断面図で図示する。

図１のウルトラサウンドトランスデューサの第２の側の電気的ブロック図を図示する。

好ましい実施形態のトランスミッタを図示する。

図１および図２のウルトラサウンドトランスデューサの電気的ブロック図の断面図を図示する。

第１の代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサの断面図を図示する。

第２の代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサの断面図を図示する。

第３の代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサの断面図を図示する。

図１は、好ましい実施形態に従ったウルトラサウンドトランスデューサ１０の電気的ブロック図を図示する。トランスデューサの分野において既知の種々の事柄が、本明細書のブロック図および機能的説明を補足するために用いられ得る。それゆえ、好ましい実施形態は、この理解と共に、および、従来の実装よりも優れた利点を提供する全体的なウルトラサウンドトランスデューサデバイスを達成するための幾つかの技術およびレイアウトの組合せに的を絞って説明される。

ウルトラサウンドトランスデューサ１０は、全体的なデバイスの一部である種々のその他のデバイスへの接続のための構造的および電気的基礎を提供する、インタポーザ（またはキャリア）１２を含むように構成される。例えば、インタポーザ１２は、印刷回路基板またはその他のタイプの回路基板であり得る。この理解と共に、（ａ）図１は、インタポーザ１２の第１の側Ｓ_１を図示し、（ｂ）図３は、側Ｓ_１の反対の、インタポーザ１２の第２の側Ｓ_２を図示し、（ｃ）図５は、インタポーザ１２を横切る部分的な断面図を図示する。

図１を再び参照すると、ウルトラサウンドレシーバアレイ１４が側Ｓ_１に物理的に取り付けられ、ウルトラサウンドレシーバアレイ１４は、既知およびさらに開発中の、種々のタイプの微細加工超音波トランスデューサレシーバ（ＭＵＴ）アレイとして構成され得る。従来の実装において、ＭＵＴアレイは、一般に、ウルトラサウンド波を送信するため、および、それらの結果として生じたエコーを検出するための両方に用いられる。しかし、好ましい実施形態において、この同じ構造を用いるが、アレイ１４は機能的にウルトラサウンドレシーバ（すなわち、イメージャ）として用いられる一方、後述するように、異なる装置が、ウルトラサウンドトランスミッタとして用いられる。２次元として示されるアレイ１４は、要素の行および列を有する。図示される実施形態について、種々の要素には、ＥＬ（行番号、列番号）として示される座標が付されている。以下でさらに詳述するように、各要素ＥＬ（ｘ，ｙ）は、概して図１において小さな四角形として示されるキャビティを提供し、キャビティは或る材料によって囲まれ、この材料から全ての要素が形成される。それゆえ、アレイ１４は、シリコン部材（例えば、四角形または円形）で開始すること、および、その中に要素を形成することによって形成され得る。さらに、各要素は、通常、要素キャビティの底部に沿って膜を有し、この膜は、ウルトラサウンド波を受信することに応答して撓む。或る好ましい実施形態において、行および列要素ＥＬ（ｘ，ｙ）の総数は、同じであり、ｘ＋１に等しく、好ましくはｘは少なくとも７であり、より好ましくはｘは４９以上である。また、代替の実施形態において、行要素の数は、列要素の数と異なってもよい。さらに別の代替の実施形態において、アレイ１４は線形であってもよく、それにより、その要素は単一の線において整合される。さらに別の代替の実施形態において、アレイ１４は環状であってもよい。また、アレイ１４は、種々のＭＵＴ技術を用いて構成され得る。一つの例示的な実施形態は、圧電性微細加工超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ）をアレイ１４として用いる。代替的に好ましい実施形態は、静電性微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を用いるが、一層高いコストの製造を含むため、トレードオフが予想される。ｐＭＵＴ或いはｃＭＵＴは、後述するように、要素が部分的にウェハ材料から形成されるように、既知および開発済みの半導体および微細加工制作技術を用いて、（例えば、シリコン）ウェハに対して構成され得る。

一つの好ましい実施形態において、アレイ要素は半導体ウェハと連携して形成され、部分的な図が図２に示される。具体的には、図２は、図１におけるアレイ１４の種々の要素の任意のものを表し得る或る要素の例を断面図で図示する。要素ＥＬは、３次元空間においてキャビティを囲む半導体を含み、それゆえ、図２の断面図は、これを、破線によっておよび破線の下に示した後壁部材ＭＥＭ_ＲＷと共に、二つの半導体側壁部材ＭＥＭ_ＳＷとして図示する。要素の周りの囲いを完成させる前壁が、図示される断面図では見えないが、図１においても見えているように、さらに含まれる。いずれにせよ、全てのそのような部材ＭＥＭは、半導体基板またはウェハの表面から指向的にエッチングすることなどによって、形成され得または結果として生じ得、それにより、参照のため、本願において、側壁、前壁、および後壁部材と呼ばれる、周囲の半導体材料によって取り囲まれるそれぞれのキャビティがつくられる。それゆえ、部材ＭＥＭは、オリジナルの半導体基板の高さであり、通常の当今の例では４００ミクロンである。さらにそれゆえ、そのような構造により、好ましくは各要素のキャビティは、概して同じサイズおよび形状である。音響性能のためのキャビティ寸法の設計は既知である。要素膜ＥＬ_ＭＥＭが、全ての部材の一端に隣り合っており、キャビティの上に連続する、層である。或る好ましい実施形態において、要素膜ＥＬ_ＭＥＭは、厚みが２〜１０ミクロンの範囲であり、多数の異なる要素を横断して（例えば、アレイ全体を横断して）延在する。それゆえ、４００ミクロン程度の部材ＭＥＭと比較して、要素膜ＥＬ_ＭＥＭは、実際には視覚では識別できないので、図面は一定の縮尺で描かれていない。いずれにせよ、好ましくは、膜ＥＬ_ＭＥＭは、絶縁体（例えば、二酸化ケイ素または窒化ケイ素）として形成される。というのも、そのような材料が半導体製造において一般的であるからである。要素膜ＥＬ_ＭＥＭの別の好ましい特質は、示された絶縁体材料によって達成されるように、化学物質に対して不活性であることであり、そのような絶縁体は様々な一般的な化学物質に対して不活性である。膜ＥＬ_ＭＥＭは、音響信号を送信する流体（例えば、空気）からの圧力に耐える機械的構造的な要素であり、そのため各要素にとって、キャビティにおいてこうむる圧力は、キャビティの下の膜ＥＬ_ＭＥＭの一部によって受け取られる。

第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}を提供する導電層が、要素膜ＥＬ_ＭＥＭに隣り合っており、この導電層は、好ましくは、０．１〜１ミクロンの範囲の厚みの金属層である。第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}も、部材ＭＥＭに対して一定の縮尺で図示されていない。電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}も、好ましくは、多数の異なる要素を横断して（例えば、アレイ全体を横断して）延在する。或いは、各要素は、その他の要素から電気的に絶縁された別個の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}を有してもよい。

圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦが第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}に隣り合っており、圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦは、その名が示唆するように圧電性の層であり、厚みが０．１〜２ミクロンの範囲である（同じく、部材ＭＥＭに対して一定の縮尺で示されていない）。圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦも、好ましくは、多数の異なる要素を横断して（例えば、アレイ全体を横断して）延在するが、個々の要素のキャビティの下のこの層の撓みは、そうした要素によるウルトラサウンド波受信の測定を検出するために電気信号によって表される。或いは、各要素は、異なる要素間で生成される電気信号をさらに絶縁するために、交わりのない圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦを有してもよい。

第２の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}を提供する導電層が、圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦに隣り合っており、この導電層は、好ましくは、厚みが０．１〜１ミクロンの範囲の金属層である（やはり、部材ＭＥＭに対して一定の縮尺で示されていない）。第２の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}は、複数の要素を横断して適用されないが、その代わりに、以下でさらに詳述するように、相互接続を提供するようにキャビティの幅を越えて延在するその電極の一部を除いて、所与のセルのためのキャビティより小さなサイズにされる。それゆえ、例えば、電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}は、キャビティエリアの１０％〜８０％の範囲の寸法を有し得る。

最後に、一つの好ましい実施形態において、第１の導電コンタクトＥＬ_ＣＴ１が、第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}の一部に到達するため、圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦに作られた開口を通って形成される金属であり得、第２および別個の導電コンタクトＥＬ_ＣＴ２がＥＬ_{ＥＬＥＣ２}に接続される。このように、第１の導電コンタクトＥＬ_ＣＴ１が、第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}に電気的に通信するように提供され、第２の導電コンタクトＥＬ_ＣＴ２が、以下で詳述するように、インタポーザへの相互接続として、第２の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}に電気的に通信するように提供される。電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}およびＥＬ_{ＥＬＥＣ２}は容量的に結合される。

上記を考慮すると、或る好ましい実施形態において、および、さらに後述するように、アレイ１４の各要素は、超音波反射を受け取るように動作可能であり、その構造および材料に起因して、受け取った反射を表す電気信号を提供する。この目的のため、第１の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}は、接地などの基準電位に接続され得、任意の要素の第２の電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}の電圧は、この基準に対して電気的に感知され得、その差は、超音波を受け取ることに応答して、圧電性フィルム層ＥＬ_ＰＺＦの撓みを表す。このように、それぞれの要素の信号の任意の組合せが、受け取った反射からの情報をさらに発展させるために処理され得るように、後述する付加的な回路要素が、各そのような要素に別個にアクセスするために接続される。

上記で紹介したように、図３は、インタポーザ１２の側Ｓ_２を図示する。或る好ましい実施形態において、三つの別個の電気および演算ブロックが、側Ｓ_２に物理的に取り付けられ、電気および演算ブロックは、受信（ＲＸ）アナログフロントエンド（ＡＦＥ）１６、超音波トランスミッタ１８、および、送信（ＴＸ）ドライバ２０を含む。これらのアイテムの各々を後述する。

受信ＡＦＥ１６は、好ましくは集積回路であり、ウルトラサウンドレシーバアレイ１４における要素によって提供されるアナログ信号を、外側のプロセッサ（例えば、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ）などの外部（例えば、デジタル）回路にインターフェースするための構成可能な電子機能ブロックを提供する、演算増幅器やフィルタなどのアナログ信号調整回路要素を含む。このように、受信ＡＦＥ１６は、さらなる処理および分析のため、任意のアレイ要素からの電気信号を外部プロセッサに結合し得る。

トランスミッタ１８は、レシーバアレイ１４と独立しておよびレシーバアレイ１４とは別に、超音波の音波を生成するためのアクチュエータを含む。ＭＵＴ（例えば、レシーバアレイ１４において実装され得る）が、トランスミッタとしていくつかの従来の実装において用いられる。しかし、好ましい実施形態において、超音波送信機能性は、独立の装置によって提供される。この点で、トランスミッタ１８は、既知および解明可能な種々の技術から構成され得る。トランスミッタ１８の一つの好ましい実施形態が、図４における斜視図に示されている。この例において、トランスミッタ１８は、単一要素超音波トランスミッタであり、好ましくはバルク圧電性セラミックを用いて構成される。この点で、図４は、概して円形の断面を有するトランスミッタを図示し、トランスミッタは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）または単結晶ニオブ酸鉛マグネシウム‐チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）など、圧電性セラミックでつくられるシングルプレートの圧電要素１８_ＰＥを有し、電気的励起に対して結合するように二つの電極によって挟まれる。任意選択で、音響カプラント層１８_ＡＣが、圧電要素１８_ＰＥの前および送信側に隣り合っており、バッキング層１８_ＢＬが、圧電要素１８_ＰＥの非送信側にある。要素の異なる位置に異なるバイアス（例えば、接地および非接地電圧Ｖ）を有する図４に概して示すように、電気的差が圧電要素１８_ＰＥ両端に印加される。このバイアス、ならびに、圧電要素１８_ＰＥの厚みおよび材料に応答して、ウルトラサウンド波が、トランスミッタ１８の面１８_Ｆに向かっておよびこれを越えて送信される。このように、好ましい実施形態は、ウルトラサウンド波を送信するためバルクセラミックを実装し、それにより、ＭＵＴがトランスミッタのために用いられる場合など、一定のその他のタイプのトランスミッタと比較して、より一層大きな電力を提供する。具体的には、一層厚いバルクセラミックが、一層大きな電圧に耐えることができ、ＭＵＴ技術と比較して、歪みエネルギーを通じて変換される電力がより多くなる。

再び図３を参照すると、受信ＡＦＥ１６の一層低い電力要求と、トランスミッタ１８の一層高い電力要求との間で、電力およびノイズ要件が異なることがあるので、好ましい実施形態において送信ドライバ２０が含まれる。この点で、送信ドライバ２０は、好ましくは集積回路であり、受信ＡＦＥ１６に利用可能な一層低い電力と、トランスミッタ１８に必要とされる一層高い電力との間のレベルシフトを提供する回路要素を含む。そのようなレベルシフトは、入力電圧の様々な範囲内の電流および電圧の制御／調節を含み得る。

上記でも紹介したように、図５は、上述したインタポーザ１２およびその他のアイテムの断面図を図示し、付加的な詳細がここで確認される。或る好ましい実施形態において、アレイ１４、受信ＡＦＥ１６、トランスミッタ１８、および、送信ドライバ２０の各々は、物理的および電気的にインタポーザ１２に相互接続される。一つの好ましい実施形態において、これらのアイテムの各々は、はんだまたはメッキされた銅など、バンピングメタライゼーションまたはその他のフリップチップバンプを用いて構成され、そのため、コンタクトが、例えば小型のボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を介して、インタポーザ１２上の導体に各それぞれの回路を物理的に及び電気的に接続するために用いられ得る。この点で、アレイ１４は、インタポーザ１２の側Ｓ_１をアレイ１４の電極に接続するため、それぞれのＢＧＡ１４_ＢＧＡを有するものとして示されており、図２に示すように、これらの電極は、例えばアレイ全体を接地するための電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ１}、および、各それぞれの要素のための電極ＥＬ_{ＥＬＥＣ２}を含む。図面を簡略化するため、そのような電極は、図５において標識されていない（また、導電コンタクトＥＬ_ＣＴ２は、図面を簡略化するため示されていない）。また、受信ＡＦＥ１６、トランスミッタ１８、および、送信ドライバ２０の各々は、インタポーザ１２の側Ｓ_２に接続するため、それぞれのＢＧＡ１６_ＢＧＡ、１８_ＢＧＡ、および、２０_ＢＧＡを有する。アレイ１４の比較的多数の要素は、アレイＢＧＡ１６_ＢＧＡ、１８_ＢＧＡ、および、２０_ＢＧＡのピッチおよび接続性密度と比較して、ＢＧＡ１４_ＢＧＡ間で、一層短いピッチおよび一層大きな接続性密度を生じさせる。例えば、ＢＧＡ１４_ＢＧＡ間では、通常は２５０ミクロン未満、または１００ミクロン未満、またはそれどころか５０ミクロン未満の範囲であり得る一方で、アレイＢＧＡ１６_ＢＧＡ、１８_ＢＧＡ、および、２０_ＢＧＡでは、４００ミクロンより大きな範囲である。また、好ましくはトランスミッタ１８とインタポーザ１２との間のＢＧＡ（またはその他のコネクタ）は、図５の方位においては上向きである、トランスミッタ１８によって送信される音波の経路を外れて位置する。また、トランスミッタ１８は、例えば、クワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、クワッドフラットノーリードパッケージ（ＱＦＮ）、もしくは、スモールアウトライン集積回路（ＳＯＩＣ）などのその他のアウトラインパッケージにおいて用いられるその他のパッケージ実装面積で、または、貫通孔コネクタにより、インタポーザ１２に電気的に接続され得る。

また、図５は、音響カプラント層（または複数の層）１４_ＡＣ１が、アレイ１４の基板部材間でアレイ１４の基板部材を垂直に越えて（すなわち、キャビティにおいて）上向きに形成されること、および、音響カプラント層（または複数の層）１４_ＡＣ２が、インタポーザ１２とアレイ１４との間に形成されることを図示する。同様に、音響カプラント層（または複数の層）１８_ＡＣが、トランスミッタ１８に沿って、より具体的には、インタポーザ１２に面したトランスミッタ表面上に形成される（そのような音響カプラント層１８_ＡＣは図４にも示されていることを思い起こされたい）。各音響カプラント層は、ディスペンスステップの間カプラントを流し、その後、示される位置まで層を硬化させることによって形成され得る。各そのような音響カプラントは、構造からの超音波の音および感度を、トランスデューサ１０が配置される媒体に一層容易に通信するため、音響マッチング層を提供する。従って、音響カプラント層１８_ＡＣは、トランスミッタ１８からの、インタポーザ１２の方向でアレイ１４を通って図５の斜視図において上向きの超音波の伝送を促進する。同様に、音響カプラント層１４_ＡＣは、トランスミッタ１８によって送信された波の反響エコーの、アレイ１４による受信を促進する。さらに、この点で、ｐＭＵＴレシーバとしてのアレイ１４は、シリコンレシーバの両側がサウンドポートとして働き得、音響信号を受け取り得るという付加的な利点を有する。対照的に、アレイ１４がｃＭＵＴレシーバとして実装される場合、好ましくは、アレイ１４はさらに、表側イメージャから裏側相互接続に電気信号を送るため、「シリコン貫通ビア」（ＴＳＶ）構成を含む。

上記を考慮すると、トランスデューサ１０の一般的な動作が容易に理解されるであろう。概して、使用可能な電力供給（例えばバッテリ、図示せず）が、トランスデューサ１０に提供され、それに応じて、送信ドライバ２０は、比較的高い電力でトランスミッタ１８を駆動するために充分なレベル調整を適用する。その後、トランスミッタ１８は、超音波周波数の音またはその他の振動などの超音波を放出し、そのような放出は、インタポーザ１２への方向におよびインタポーザ１２を通り、アレイ１４を通りおよびアレイ１４を越えて、音響カプラント１８_ＡＣによって最適化される。予期される応答を受け取るための時間ウィンドウの経過後、単一要素トランスミッタ１８と比べて、一層低い電力供給でありながら一層高感度の分解能のレシーバアレイ１４は、送信された信号のエコーを受け取り、アレイ１４の圧電性（または静電性）性質は、これらのエコーを、比例する電気信号に変換する。その後、これらの要素信号は、やはりインタポーザ１２上の回路要素による、或いは、受信ＡＦＥ１６のインターフェースを介して接続される回路要素によるさらなる処理のために、受信ＡＦＥ１６によって調整される。

好ましい実施形態の構成および動作を考慮すると、種々の利点が認識される。例えば、受信のためにアレイ１４を用いることにより、分解能要求によって決定されるサイズおよびピッチのための設計調整は、感知を最適化することができ、一方で、一つまたは複数の単一要素トランスミッタ１８（後述）の使用は、フォーカスおよび／または合成開口送信のための種々のアプリケーションにおいて充分であり、送信のためにさらに最適化され得る。このように、アレイ１４およびトランスミッタ１８の各々は、他方の逆の機能にほとんどまたは全く影響を及ぼさずに、それ自体のそれぞれの機能を調整するように独立して最適化され得る。また、それゆえ装置は、トランスミッタ装置／機能性のための比較的高い電圧信号経路のみを必要とする一方で、低電圧信号経路がレシーバ装置／機能性にとって充分である。さらに以下で示すように、種々の代替的な好ましい実施形態において付加的な利点が認識され得る。

図６は、代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサ１０_Ａ１の断面図を図示する。トランスデューサ１０_Ａ１は、概して、上述したトランスデューサ１０と同じ構成および機能性の多くを共有するが、トランスデューサ１０_Ａ１が、好ましくは三つのトランスミッタ、すなわち、トランスミッタ１８．１、１８．２、および、１８．３として図６において示されるようなトランスミッタを含むという違いを有する。各トランスミッタ１８．ｘは、トランスデューサ１０のためのトランスミッタ１８と同等の方式で、インタポーザ１２の側Ｓ_２に物理的および電気的に接続される。また、図４における各トランスミッタ１８．ｘは、好ましくは、それに沿ってそれぞれの音響カプラント層１８_ＡＣを有し、インタポーザ１２に面する、単一要素トランスミッタであり、各トランスミッタは、それぞれのＢＧＡまたはその他の形態（図面において特に番号付けしていない）を介してインタポーザ１２に電気的に接続される。

概して、トランスデューサ１０_Ａ１の動作および機能性はトランスデューサ１０と同等であり、それによって、各トランスミッタ１８．ｘは、それぞれの音響カプラントの方向に、インタポーザ１２を通って所望の媒体内へ、超音波を放出する。そのような超音波は、近傍の物体によって反射され得、エコーが、アレイ１４によって受け取られおよび感知される。しかし、送信ドライバ２０（または関連の回路要素）も、ビームステアリングのために他のトランスミッタに対して制御された位相遅延を用いて、トランスミッタ１８．ｘの任意のものを励起させるように動作可能である。アレイ１４によって受け取られるそのような送信のエコーは、受信ＡＦＥ１６を介して通信される、アレイ１４からの信号を備え、単一トランスミッタの場合のように放出／検出の単一方向を有するのではなく、ビームステアリングの結果として方向性の何らかの測定を判定するために処理され得る。

図７は、代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサ１０_Α２の断面図を図示する。トランスデューサ１０_Ａ２は、上述したトランスデューサ１０と同じ構成および機能性の多くを共有するが、トランスデューサ１０_Ａ２も、好ましくは二つのトランスミッタ１８．１および１８．２として図７に示されるようなトランスミッタを含み、加えて、各そのようなトランスミッタ１８．ｘがインタポーザ１２の側Ｓ_１に接続されるという違いがある。さらにこの点で、それぞれの音響カプラント層１８_ＡＣが、トランスミッタ１８．１および１８．２の各々の側に沿って形成されるが、図７においてそのような層は、インタポーザ１２に電気的に接続される表面と対向する、トランスミッタの表面上にある。このように、図７の斜視図において、各トランスミッタ１８．１および１８．２の下側表面は、それぞれのＢＧＡを介して、インタポーザ１２に接続される一方で、それぞれの音響カプラント層１８_ＡＣが、各トランスミッタ１８．１および１８．２の上側表面に沿う。

概して、トランスデューサ１０_Ａ２の動作および機能性はトランスデューサ１０_Ａ１と同等であり、それによって、各トランスミッタ１８．ｘは、それぞれの音響カプラントの方向に超音波を放出する。しかし、トランスデューサ１０_Ａ２のためのそのような放出は、インタポーザ１２（またはアレイ１４）を通過せず、そのため、他の場合ではそのような信号通過によって引き起こされ得るどんな信号損失も回避される。また、複数のトランスミッタを有することにより、ビームステアリングが可能となる。トランスミッタの配置は、この目的のために重要となり得る。概して、トランスミッタは、使用し易いように一定の間隔で配置され得る。しかし、この理由のため、二つの近接して収容されるトランスミッタは、多くの利点を提供しない可能性がある。従って、多くの小さなトランスミッタが密接して収容される場合、それらは一層小さくされる傾向があり、電力出力が制限され得る。それゆえ、種々の好ましい実施形態において、および、トランスデューサ１０_Ａ２にとって、波の数学的処理（wave mathematics）から、点源間の一層大きな間隔により一層精細な角度分解能が可能となる。

図８は、代替の好ましい実施形態のウルトラサウンドトランスデューサ１０_Α３の断面図を図示する。トランスデューサ１０_Ａ３は、トランスデューサ１０_Ａ１および１０_Α２に関して図示および上述した態様を組み合わせる。トランスデューサ１０_Ａ１と同様、トランスデューサ１０_Ａ３は、三つのトランスミッタ１８．１、１８．２、および、１８．３を含む。しかし、違いは、図８におけるトランスミッタのうちの二つが、トランスデューサ１０_Ａ２の場合のように表面Ｓ_１上に配置される一方で、第３のトランスデューサは、トランスデューサ１０および１０_Ａ１におけるトランスミッタの場合のように表面Ｓ_２上に配置される点である。それゆえ、トランスデューサ１０_Ａ３の動作は、上述した態様を、三つのトランスミッタの付加的な方向性分解能と組み合わせるため、容易に理解され、一方で、トランスミッタ１８．２からの放出の何らかの消散が生じ得ることが認識される。というのも、その放出される信号は、インタポーザ１２およびアレイ１４を通って方向付けられるからである。

上記から、種々の好ましい実施形態は、ディスクリートトランスミッタ回路要素を微細加工超音波トランスデューサレシーバアレイと組み合わせるようなトランスデューサを提供することによって、ウルトラサウンドトランスデューサに対する改善を提供する。対照的に、従来の超音波トランスデューサは、送信およびイメージング（感知エコー）の両方を同じアレイを用いて達成しようとし、通常、一層優れた感度および分解能は、かなりの部分、そのようなアレイにおける要素の数を増加させることによって求められる。そのような努力は、複雑さおよびコストを増加させる。また、そのようなアレイの使用は、薄膜および小さなイメージャ要素の物理的限界を考慮すると、範囲が減少する傾向があり得る。これに対し、好ましい実施形態は多数の利点を提供する。例えば、送信と検出との間の信号処理は、最良の送信ビームフォーミングおよび位相アレイイメージングのために再最適化され得る。また、或るＡＦＥ改変により、動作の一つのモードにおいて、ＭＵＴがなお、信号の受信および送信の両方のために用いられ得、そのような近距離のため、必要とされる送信パワーが最小であり、低電圧駆動が、受信ＡＦＥ１６によって需要可能に提供される。またさらに、ディスクリートトランスミッタが、高い達成可能な送信されるパワーを提供する一方で、アレイレシーバが、高い達成可能な受信分解能および統合された信号経路を提供する。また、送信および受信経路が分離され、それにより、送信および感知を別個に扱うこと、すなわち、アレイによる送信の必要性を取り除き、それにより、アレイレシーバ感度を最大化する能力を提供することによって、改善された信号品位および最適化された全体的なシステム感度が提供される。また、潜在的なノイズを削減し、個々のプロセス能力を最大化し、潜在的なオンチップカップリングの問題を改善するため、低電圧がアレイによって用いられ得るように、電力が同様に分けられる。好ましい実施形態におけるコストも、複雑な機械加工のない低コストトランスミッタと、電力を送信するために大きくされる必要のあるレシーバと比較して必要とされ得るよりも小さなレシーバとを実装することによって、良好に管理される。さらにまた、フリップチップアッセンブリは、適度な相互接続およびアセンブリの複雑さを提供する。上記の結果、好ましい実施形態は、（ｉ）高感度指紋センサ、（ｉｉ）光音響送信または機能を備える血管内超音波センサ、（ｉｉｉ）超音波静脈検出器、または、（ｉｖ）超音波コンピュータ断層撮影（ＣＴ）もしくはマイクロＣＴなど、多数のアプリケーションにおいて実装され得、そうしたアプリケーションにおいて、送信要素および受信要素は、同じトランスデューサ／場所にない。

このように、好ましい実施形態は、ディスクリートトランスミッタ回路要素を別個の超音波トランスデューサレシーバアレイと組み合わせるウルトラサウンドトランスデューサを提供するために説明されている。好ましい実施形態は、多数の利点を有するものとして示されており、なお別のものもさらに解明される。また、種々の実施形態が提供されたが、用途およびその他の考察に従って、種々の手段および構成に対して調整が意図される。例えば、先に述べたように、一つの好ましい実施形態は、形が環状のアレイ１４を含み得、それゆえ、代替的なトランスミッタ配置の種々の例示により、そうした環状のアレイは、環形によって画定される中間のオープンエリアにおいてトランスミッタを、および／または、環形の外周の外にトランスミッタを含んでもよい。このようにして、種々のトランスミッタは、種々のｘ、ｙ、ｚ次元においてビームを向けるのに役立つ。単一のオープンエリアを備える環形に関して比較可能な別の例として、別の好ましい実施形態は、半導体部材の壁材料がないエリアなど、複数の空隙を備えるアレイを含んでもよく、各そのような空隙はそれぞれのトランスミッタを含む。さらに別の例として、図示される好ましい実施形態は、少なくとも一つの超音波トランスミッタおよび別個の超音波レシーバを図示し、これらはいずれも、それぞれの電気コンタクトを介してインタポーザに物理的に接続されているが、代替の好ましい実施形態において、物理的接続は、電気接続から分けられてもよく、および／または、いくつかの仲介構造によって促進されてもよく、いずれにせよ、トランスミッタは、いくつかの部材または装置によってインタポーザに対して物理的に取り付けられ、およびまた、同じまたは別個の構造によって、インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される。

特許請求の範囲内で、説明された実施形態における改変が可能であり、他の実施形態が可能である。

Claims (22)

1. 超音波トランスデューサであって、
   電気接続性コンタクトを有するインタポーザ、
   受信要素のアレイを含み、前記インタポーザに対して物理的に固定され、前記インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される、超音波レシーバ、および、
   前記超音波レシーバから離間され、前記インタポーザに対して物理的に固定され、前記インタポーザの電気接続性コンタクトと電気的に通信するように結合される、少なくとも一つの超音波トランスミッタ、
   を含む、超音波トランスデューサ。
2. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記アレイが、少なくとも６４個の要素を含む、超音波トランスデューサ。
3. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記アレイが、同じ数の行および列の前記要素を含む、超音波トランスデューサ。
4. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタが、単一要素トランスミッタを含む、超音波トランスデューサ。
5. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタが、バルクセラミックトランスミッタを含む、超音波トランスデューサ。
6. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、
   前記超音波レシーバが、前記インタポーザの第１の側の近隣に物理的に固定され、
   前記少なくとも一つの超音波トランスミッタが、前記インタポーザの、前記第１の側とは反対の第２の側の近隣に物理的に固定される、
   超音波トランスデューサ。
7. 請求項６に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを含む、複数の超音波トランスミッタをさらに含み、前記複数の超音波トランスミッタの全てが、前記第２の側の近隣に物理的に固定される、超音波トランスデューサ。
8. 請求項７に記載の超音波トランスデューサであって、各トランスミッタの近隣にあり、前記インタポーザに面する、音響カプラント層をさらに含む、超音波トランスデューサ。
9. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを含む、複数の超音波トランスミッタをさらに含む、超音波トランスデューサ。
10. 請求項９に記載の超音波トランスデューサであって、
    前記超音波レシーバが、前記インタポーザの第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記複数の超音波トランスミッタにおける少なくとも第１の超音波トランスミッタが、前記第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記複数の超音波トランスミッタにおける少なくとも第２の超音波トランスミッタが、前記インタポーザの、前記第１の側とは反対の第２の側の近隣に物理的に固定される、
    超音波トランスデューサ。
11. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを含む、二つの超音波トランスミッタをさらに含む、超音波トランスデューサ。
12. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを含む、三つの超音波トランスミッタをさらに含む、超音波トランスデューサ。
13. 請求項１２に記載の超音波トランスデューサであって、
    前記超音波レシーバが、前記インタポーザの第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記複数の超音波トランスミッタにおける第１の超音波トランスミッタおよび第２の超音波トランスミッタが、前記第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記複数の超音波トランスミッタにおける第３の超音波トランスミッタが、前記インタポーザの、前記第１の側とは反対の第２の側の近隣に物理的に固定される、
    超音波トランスデューサ。
14. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記超音波レシーバが、前記インタポーザの第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記超音波トランスデューサが、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを含む、複数の超音波トランスミッタをさらに含み、前記複数の超音波トランスミッタの全てが、前記第１の側の近隣に物理的に固定される、
    超音波トランスデューサ。
15. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記超音波レシーバが、前記インタポーザの第１の側の近隣に物理的に固定され、
    前記超音波トランスデューサが、前記超音波レシーバの少なくとも一つおよび前記少なくとも一つの超音波トランスミッタを動作させるための演算回路要素をさらに含み、前記演算回路要素が、前記インタポーザの、前記第１の側とは反対の第２の側の近隣に物理的に固定される、
    超音波トランスデューサ。
16. 請求項１５に記載の超音波トランスデューサであって、前記演算回路要素が、前記超音波レシーバのためのアナログフロントエンド回路要素を含む、超音波トランスデューサ。
17. 請求項１５に記載の超音波トランスデューサであって、前記演算回路要素が、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタに第１の電圧を提供するためのドライバ回路要素を含み、前記第１の電圧が、前記少なくとも一つの超音波レシーバを動作させるための第２の電圧より大きい、超音波トランスデューサ。
18. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記超音波レシーバがｐＭＵＴアレイを含む、超音波トランスデューサ。
19. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記超音波レシーバがｃＭＵＴアレイを含む、超音波トランスデューサ。
20. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記インタポーザが、
    電気接続性コンタクトの第１の密度を有する第１の側、および、
    前記第１の密度と異なる、電気接続性コンタクトの第２の密度を有する第２の側、
    を含む、超音波トランスデューサ。
21. 請求項１に記載の超音波トランスデューサであって、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタが環状形状を含む、超音波トランスデューサ。
22. 請求項２１に記載の超音波トランスデューサであって、前記環状形状が、外側の環状領域内にオープンエリアを有し、前記少なくとも一つの超音波トランスミッタが、前記オープンエリア内で固定される、超音波トランスデューサ。
    
    

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